Friction pendulums typically suffer from poor uplift-restraining. To improve the uplift-restraining and enhance the energy dissipation capacity, this article proposed a composite isolation device based on electromagnetic forces. The device was constructed based on a remote control system to achieve semi-active control of the composite isolation device. This article introduces the theory and design of an electromagnetic chuck-friction pendulum system (ECFPS) and derives the theoretical equation for the ECFPS based on Maxwell's electromagnetic attraction equation to construct the proposed model. By conducting 1:3 scale tests on the electromagnetic device, the gaps between the practical, theoretical, and simulation results were analyzed, and the accuracy and effectiveness of the theoretical equation for the ECFPS were investigated. The hysteresis and uplift-restraining performance of ECFPS were analyzed by adjusting the displacement amplitude, vertical load, and input current of the simulation model. The data obtained from the scale test were consistent with the theoretical and simulated data. Notably, the hysteresis area of the ECFPS was 35.11% larger than that of a conventional friction pendulum. Lastly, a six-story planar frame structure was established through SAP2000 for a time history analysis. The isolation performances of ECFPS and FPS were compared. The results revealed that, under horizontal seismic action, the horizontal seismic response of the bottom layer of the ECFPS isolation structure is greater than that of the FPS, the horizontal vibration response of the top layer of the ECFPS isolation structure is smaller than that of the FPS, and the axial force at the bottom of the columns of the ECFPS isolation structure is smaller than that of the FPS isolation structure. Therefore, the reliable uplift-restraining performance is facilitated by the electromagnetic force generated by the device.
Base isolation is a quite practical control strategy for enhancing the response of structural systems induced by strong ground motions. Due to the dynamic effects of base isolation systems, reduction in the interstory drifts of the superstructure is often achieved at the expense of high base displacement level, which may lead to instability of the structure or non-practical designs for the base isolators. To reduce the base displacement, several hybrid structural control strategies have been studied over the past decades. This study investigates a particular strategy that employs Tuned Mass Dampers (TMDs) for improving the performance of base-isolated structures and unlike previous studies, specifically focuses on the effectiveness of this hybrid control strategy in structures that are equipped with nonlinear base isolation systems. To consider the nonlinearities of base isolation systems, a Bouc-Wen model is selected and nonlinear dynamic OpenSees models are used to perform several time-history simulations in time and frequency domains. Through these numerical simulations, the effects of several parameters such as the fundamental period of the structure, dynamic properties of the TMD and isolation systems and properties of the input ground motion on the behaviour of TMD-structure-base isolation systems are examined. The results of this study provide a better insight into the performance of linear shear-story structures with nonlinear base isolators and show that there are many scenarios in which TMDs can still improve the performance of these systems.
In this study, inelastic displacement ratios are investigated for existing systems with known lateral strength considering soil structure interaction. For this purpose, SDOF systems for period range of 0.1-3.0 s with different hysteretic behaviors are considered for a number of 18 earthquake motions recorded on soft soil. The effect of stiffness degradation on inelastic displacement ratios is investigated. The Modified Clough model is used to represent structures that exhibit significant stiffness degradation when subjected to reverse cyclic loading and the elastoplastic model is used to represent non-degrading structures. Soil structure interaction analyses are conducted by means of equivalent fixed base model effective period, effective damping and effective ductility values differing from fixed-base case. For inelastic time history analyses, Newmark method for step by step time integration was adapted in an in-house computer program. A new equation is proposed for inelastic displacement ratio of system with SSI with elastoplastic or degrading behavior as a function of structural period ($\tilde{T}$), strength reduction factor (R) and period lengthening ratio ($\tilde{T}$/T). The proposed equation for $\tilde{C}_R$ which takes the soil-structure interaction into account should be useful in estimating the inelastic deformation of existing structures with known lateral strength.
This paper investigates the dynamic characteristics of spacer grid impact loads and the effects of variations in the amplitude and frequency of the core plate motions on the resultant impact loads. A model of the longest row (15 fuel assemblies) across the core is analyzed using the input motions generated from safe shutdown earthquake. Input excitations consist of time history motions applied to the core support plate, fuel alignment plate and core shroud. The responses are determined for a set of four parameter runs with respect to the amplitude and frequency changes. Spacer grid impact loads and normalized input values for all cases are presented. The results show that changing the natural frequency has negligible effect but changing the amplitude of the input motions has a significant effect on the grid impact loads Therefore, time history analysis is not necessary for a shifted case to get the core responses under the seismic excitation.
One of the most important issues in structural systems is evaluation of the margin of safety in low and mid-rise buildings against the progressive collapse mechanism due to the earthquake loads. In this paper, modeling of collapse propagation in structural elements of RC frame buildings is evaluated by tracing down the collapse points in beam and column structural elements, one after another, under earthquake loads and the influence of column removal is investigated on how the collapse expansion in beam and column structural members. For this reason, progressive collapse phenomenon is studied in 3-story and 5-story intermediate moment resisting frame buildings due to the corner and edge column removal in presence of the earthquake loads. In this way, distribution and propagation of the collapse in progressive collapse mechanism is studied, from the first element of the structure to the collapse of a large part of the building with investigating and comparing the results of nonlinear time history analyses (NLTHA) in presence of two-component accelograms proposed by FEMA_P695. Evaluation of the results, including the statistical survey of the number and sequence of the collapsed points in process of the collapse distribution in structural system, show that the progressive collapse distribution are special and similar in low-rise and mid-rise RC buildings due to the simultaneous effects of the column removal and the earthquake loads and various patterns of the progressive collapse distribution are proposed and presented to predict the collapse propagation in structural elements of similar buildings. So, the results of collapse distribution patterns and comparing the values of collapse can be utilized to provide practical methods in codes and guidelines to enhance the structural resistance against the progressive collapse mechanism and eventually, the value of damage can be controlled and minimized in similar buildings.
One of the most important issues in structural systems is evaluation of the margin of safety in low and mid-rise buildings against the progressive collapse mechanism due to the earthquake loads. In this paper, modeling of collapse propagation in structural elements of RC frame buildings is evaluated by tracing down the collapse points in beam and column structural elements, one after another, under earthquake loads and the influence of column removal is investigated on how the collapse expansion in beam and column structural members. For this reason, progressive collapse phenomenon is studied in 3-story and 5-story intermediate moment resisting frame buildings due to the corner and edge column removal in presence of the earthquake loads. In this way, distribution and propagation of the collapse in progressive collapse mechanism is studied, from the first element of the structure to the collapse of a large part of the building with investigating and comparing the results of nonlinear time history analyses (NLTHA) in presence of two-component accelograms proposed by FEMA_P695. Evaluation of the results, including the statistical survey of the number and sequence of the collapsed points in process of the collapse distribution in structural system, show that the progressive collapse distribution are special and similar in low-rise and mid-rise RC buildings due to the simultaneous effects of the column removal and the earthquake loads and various patterns of the progressive collapse distribution are proposed and presented to predict the collapse propagation in structural elements of similar buildings. So, the results of collapse distribution patterns and comparing the values of collapse can be utilized to provide practical methods in codes and guidelines to enhance the structural resistance against the progressive collapse mechanism and eventually, the value of damage can be controlled and minimized in similar buildings.
Estimation of damage probability of buildings under a future earthquake is an essential issue to ensure the seismic reliability. Fragility curves are useful tools for showing the probability of structural damage due to earthquakes as a function of ground motion indices. The purpose of this study is to compare the damage probability of R/C buildings with low and high level of strength and ductility through fragility analysis. Two different types of sample buildings have been considered which represent the building types mentioned above. The first one was designed according to TEC-2007 and the latter was designed according to TEC-1975. The pushover curves of sample buildings were obtained via pushover analyses. Using 60 ground motion records, nonlinear time-history analyses of equivalent single degree of freedom systems were performed using bilinear hysteretic model and peak-oriented hysteretic model with stiffness - strength deterioration for each scaled elastic spectral displacement. The damage measure is maximum inter-story drift ratio and each performance level considered in this study has an assumed limit value of damage measure. Discrete damage probabilities were calculated using statistical methods for each considered performance level and elastic spectral displacement. Consequently, continuous fragility curves have been constructed based on the lognormal distribution assumption. Furthermore, the effect of hysteresis model parameters on the damage probability is investigated.
In many parts of the world, reinforced concrete (RC) buildings, designed and built in accordance with older codes, have suffered severe damage or even collapse as a result of recent near-fault earthquakes. This is particularly due to the deficiencies of most of the older (and even some of the recent) codes in dealing with near fault events. In this study, a tested three-storey frame designed for gravity loads only was selected to represent those deficient buildings. Nonlinear time history analyses were performed, followed by damage assessment procedures. The results were compared with experimental observation of the same frame showing a good match. Damage and fragility analyses of the frame subjected to 204 pulse-type motions were then performed using a selected damage model and inter-storey drifts. The results showed that the frame located in near-fault regions is extremely vulnerable to ground motions. The results also showed that the damage model better captures the damage distribution in the frame than inter-storey drifts. The first storey was identified as the most fragile and the inner columns of the first storey suffered most damage as indicated by the damage index. The findings would be helpful in the decision making process prior to the strengthening of buildings in near-fault regions.
To ensure safety and long term performance, structural control has rapidly matured over the past decade into a viable means of limiting structural responses to strong winds and earthquakes. Nonlinear response history analysis requires rigorous procedure to compute seismic demands. Therefore the simplified nonlinear analysis procedures are useful to determine performance of the structure. In this investigation, application of improved capacity demand diagram method in the control of structural system is presented for the first time. Developed pole assignment method (DPAM) in structural systems control is introduced. Genetic algorithm (GA) is employed as an optimization tool for minimizing a target function that defines values of coefficient matrices providing the placement of actuators and optimal control forces. The ground acceleration is modified under induced control forces. Due to this, performance of structure based on improved nonlinear demand diagram is selected to threshold of nonlinear behavior of structure. With small energy consumption characteristics, semi-active devices are especially attractive solutions for limiting earthquake effects. To illustrate the efficiency of DPAM, a 30-story steel moment frame structure employing the semi-active control devices is applied. In comparison to the widely used linear quadratic regulation (LQR), the DPAM controller was shown to be just as effective and better in the reduction of structural responses during large earthquakes.
Oil, hysteretic and inertial mass dampers are representatives of passive dampers used for smart enhancement of seismic performance of building structures. Since oil dampers have a nonlinear relief mechanism and hysteretic dampers possess nonlinear restoring-force characteristics, several difficulties arise in the evaluation of buildings including such dampers. The purpose of this paper is to propose a practical method for simultaneous optimal use of such dampers. The optimum design problem is formulated so as to minimize the maximum interstory drift under design earthquakes in terms of a set of damper quantities subject to an equality constraint on the total cost of dampers. The proposed method to solve the optimum design problem is a successive procedure which consists of two steps. The first step is a sensitivity analysis by using nonlinear time-history response analyses, and the second step is a modification of the set of damper quantities based upon the sensitivity analysis. Numerical examples are conducted to demonstrate the effectiveness and validity of the proposed design method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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