The present study investigated the earthquake behavior of R/C structures considering the vertical earthquake motion with the help of a comparative study. For this aim, the linear time-history analyses of a high-rise R/C structure designed according to TSC-2007 requirements were conducted including and excluding the vertical earthquake motion. Earthquake records used in the analyses were selected based on the ratio of vertical peak acceleration to horizontal peak acceleration (V/H). The frequency-domain analyses of the earthquake records were also performed to compare the dominant frequency of the records with that of the structure. Based on the results obtained from the time-history analyses under the earthquake loading with (H+V) and without the vertical earthquake motion (H), the value of the overturning moment and the top-story vertical displacement were found to relatively increase when considering the vertical earthquake motion. The base shear force was also affected by this motion; however, its increase was lower compared to the overturning moment and the top-story vertical displacement. The other two parameters, the top-story lateral displacement and the top-story rotation angle, barely changed under H and H+V loading cases. Modal damping ratios and their variations in horizontal and vertical directions were also estimated using response acceleration records. No significant change in the horizontal damping ratio was observed whereas the vertical modal damping ratio noticeably increased under H+V loading. The results obtained from this study indicate that the desired structural earthquake performance cannot be provided under H+V loading due to the excessive increase in the overturning moment, and that the vertical damping ratio should be estimated considering the vertical earthquake motion.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.6
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pp.279-289
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2014
Considering a rigorously fluid-structure interaction, a method for an earthquake response analysis of a floating offshore structure subjected to vertical ground motion from a seaquake is developed. Mass, damping, stiffness, and hydrostatic stiffness matrices of the floating offshore structure are obtained from a finite-element model. The sea water is assumed to be a compressible, nonviscous, ideal fluid. Hydrodynamic pressure, which is applied to the structure, from the sea water is assessed using its finite elements and transmitting boundary. Considering the fluid-structure interaction, added mass and force from the hydrodynamic pressure is obtained, which will be combined with the numerical model for the structure. Hydrodynamic pressure in a free field subjected to vertical ground motion and due to harmonic vibration of a floating massless rigid circular plate are calculated and compared with analytical solutions for verification. Using the developed method, the earthquake responses of a floating offshore structure subjected to a vertical ground motion from the seaquake is obtained. It is concluded that the earthquake responses of a floating offshore structure to vertical ground motion is severely influenced by the compressibility of sea water.
Vertical earthquake ground motion may magnify vertical dynamic responses of structures, and thus cause serious damage to bridges. As main support structures, piers and bearings play an important role in vertical seismic response analysis of girder bridges. In this study, the pier and bearing are simplified as a vertical series spring system without mass. Then, based on the assumption of small displacement, the equation of motion governing the simply-supported straight girder bridge under vertical ground motion is established including effects of vertical deformation of support structures. Considering boundary conditions, the differential quadrature method (DQM) is applied to discretize the above equation of motion into a MDOF (multi-degree-of-freedom) system. Then seismic responses of this MDOF system are calculated by a step-by-step integration method. Effects of support structures on vertical dynamic responses of girder bridges are studied under different vertical strong earthquake motions. Results indicate that support structures may remarkably increase or decrease vertical seismic responses of girder bridges. So it is of great importance to consider effects of support structures in structural seismic design of girder bridges in near-fault region. Finally, optimization of support structures to resist vertical strong earthquake motions is discussed.
In this study, it is aimed to investigate the vertical seismic performance of reinforced concrete (R/C) frame buildings in two different building stocks, one of which consists of those designed as per the previous Turkish Seismic Code (TSC-2007) that does not consider the vertical earthquake load, and the other of which consists of those designed as per the new Turkish Seismic Code (TSCB-2018) that considers the vertical earthquake load. For this aim, three R/C buildings with heights of 15 m, 24 m and 33 m are designed separately as per TSC-2007 and TSCB-2018 based on some limitations in terms of seismic zone, soil class and structural behavior factor (Rx/Ry) etc. The vertical earthquake motion effects are identified according to the linear time-history analyses (LTHA) that are performed separately for only horizontal (H) and combined horizontal+vertical (H+V) earthquake motions. LTHA is performed to predict how vertical earthquake motion affects the response of the designed buildings by comparing the linear response parameters of the base shear force, the base overturning, the base axial force, top-story vertical displacement. Nonlinear time-history analysis (NLTHA) is generally required for energy dissipative buildings, not required for design of buildings. In this study, the earthquake records are scaled to force the buildings in the linear range. Since nonlinear behavior is not expected from the buildings herein, the nonlinear time-history analysis (NLTHA) is not considered. Eleven earthquake acceleration records are considered by scaling them to the design spectrum given in TSCB-2018. The base shear force is obtained not to be affected from the combined H+V earthquake load for the buildings. The base overturning moment outcomes underline that the rigidity of the frame system in terms of the dimensions of the columns can be a critical parameter for the influence of the vertical earthquake motion on the buildings. In addition, the building stock from TSC-2007 is estimated to show better vertical earthquake performance than that of TSCB-2018. The vertical earthquake motion is found out to be highly effective on the base axial force of 33 m building rather than 15 m and 24 m buildings. Thus, the building height is a particularly important parameter for the base axial force. The percentage changes in the top-story vertical displacement of the buildings designed for both codes show an increase parallel to that in the base axial force results. To extrapolate more general results, it is clear to state that many buildings should be analyzed.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.04a
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pp.190-195
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2001
In the present paper computational simulation of a concrete dam is performed to determine the effect of vertical ground motions on earthquake response of concrete dams. Cyclic and dynamic versions of the plastic-damage model proposed by Lee and Fenves are used to represent micro-crack development and crack opening/closing, which is important mechanism in nonlinear damage analysis of concrete structures subject to strong earthquake loading. The result shows that the vertical component of ground motion effects on final crack patterns and consequently, on displacement response.
The effects of the vertical component of a ground motion on the earthquake performances of semi-ductile high-rise R/C structures were investigated in the present study. Linear and non-linear time-history analyses were conducted on an existing in-service R/C building for the loading scenarios including and excluding the vertical component of the ground motion. The ratio of the vertical peak acceleration to the horizontal peak acceleration (V/H) of the ground motion was adopted as the main parameter of the study. Three different near-source earthquake records with varying V/H ratio were used in the analyses. The linear time-history analyses indicated that the incorporation of the vertical component of a ground motion into analyses greatly influences the vertical deflections of a structure and the overturning moments at its base. The lateral deflections, the angles of rotation and the base shear forces were influenced to a lesser extent. Considering the key indicators of vertical deflection and overturning moments determined from the linear time-history analysis, the non-linear analyses revealed that the changes in the forces and deformations of the structure with the inclusion of the vertical ground motion are resisted by the shear-walls. The performances and damage states of the beams were not affected by the vertical ground motion. The vertical ground motion component of earthquakes is markedly concluded to be considered for design and damage estimation of the vertical load-bearing elements of the shear-walls and columns.
This study is aimed at identifying structural element stiffness influence on vertical earthquake response of mid-rise R/C frame buildings. To this aim, a mid-rise RC building structure is designed as per the new Turkish Seismic Code for Buildings-2018, and 3D FE model of the building is established. Based on the established FE model, a total number of six buildings are considered depending on certain percentage increase in beam, slab, and column. The time-history response analyses (THA) are performed separately for only horizontal (H) and horizontal +vertical (H+V) earthquake motions to make a comparison between the load cases. The analysis results are presented comparatively in terms of the monitoring parameters of the base overturning moment (Mo), the top-story lateral displacement (dL) and the top-story vertical displacement (dV). The obtained results reveal that the base overturning moment and the top-story vertical displacement are affected by vertical earthquake motion regardless of the increase in the dimension of beam, slab, and column. However, vertical earthquake motion is not effective on the top-story lateral displacement due to no change between H and H+V load. The dimensional increase in either slab or beam leads to a considerable increase in the base overturning moment and the top-story vertical displacement while causing decrease in the top-story lateral displacement. In addition, the dimensional increase in column has a positive effect on the decrease in the monitoring parameters of the base overturning moment (Mo), the top-story lateral displacement (dL) and the top-story vertical displacement (dV).
The 2008 Iwate-Miyagi Nairiku earthquake ($M_w$ 6.9, $M_{jma}$ 7.2) occurred on 14 June 2008 in Japan. The amplification and asymmetric waveform of the vertical acceleration at the ground surface recorded by accelerometers at station IWTH25, situated 3 km from the source, were remarkable in two ways. First, the vertical acceleration was extremely large (PGA = 38.66 $m/s^2$ for the vertical component, PGA = 42.78 $m/s^2$ for the sum of the three components). Second, an unusual asymmetric waveform, which is too far above the zero acceleration axis, as well as large upward spikes were observed. Using a multidegree-of-freedom (MDF) system consisting of a one-dimensional continuum subjected to vertical acceleration recorded at a depth of 260 m below ground level, the present paper clarifies numerically that these singular phenomena in the surface vertical acceleration records occurred as a result of the jumping and collision of a layer in vertical motion. We herein propose a new mechanism for such jumping and collision of ground layers. The unexpected extensive landslides that occurred in the area around the epicenter are believed to have been produced by such jumping under the influence of vertical acceleration.
Kim, Jae Kwan;Kim, Jung Han;Lee, Jin Ho;Heo, Tae Min
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.6
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pp.413-424
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2016
The vertical design spectrum for Korea, which is known to belong to an intra-plate region, is developed from the ground motion records of the earthquakes occurred in Korea and overseas intra-plate regions. From the statistical analysis of the vertical response spectra, a mean plus one standard deviation spectrum in lognormal distribution is obtained. Regression analysis is performed on this curve to determine the shape of spectrum including transition periods. The developed design spectrum is valid for the estimation both spectral acceleration and displacement. The ratio of vertical to horizontal response spectrum for each record is calculated. Statistical analysis of the ratios rendered the vertical to horizontal ratio (V/H ratio). Subsequently the ratio between the peak vertical ground acceleration to the horizontal one is obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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