This paper investigates the influence of spatial varations of accidental mass eccentricities on the torsional response of inelastic multistorey reinforced concrete buildings. It complements recent studies on the elastic response of structural buildings and extends the investigation into the inelastic range, with the aim of providing guidelines for minimising the torsional response of structural buildings. Four spatial mass eccentricity configurations of common nine story buildings, along with their reversed mass eccentricities subjected to the Erzincan-1992 and Kobe-1995 ground motions were investigated, and the results are discussed in the context of the structural response of the no eccentricity models. It is demonstrated that when the initial linear response is practically translational, it is maintained into the inelastic phase of deformation as long as the strength assignment of the lateral resisting bents is based on a planar static analysis where the applied lateral loads simulate the first mode of vibration of the uncoupled structure.
The static design approach in the current code implies that the inherent torsional moment represents the state of zero inertial torsional moments at the center of mass (CM). However, both experimental and analytical results prove the existence of a large amount of the inertial torsional moment at the CM. Also, the definition of eccentricity by engineers, which is referred to as the resistance eccentricity, is defined as the distance between the center of mass and the center of resistance, which is conceptually different from the static eccentricity in the current codes, defined as the arm length about the center of rotation. The difference in the definitions of eccentricity should be made clear to avoid confusion about the torsion design. This study proposed prediction equations as a function of resistance eccentricity based on a resistance eccentricity model with advantages of (1) the recognition of the existence of torsional moment at the CM, (2) the avoidance of the confusion by using resistance eccentricity instead of the design eccentricity, and (3) a clear relationship of applied inertial forces at the CM and resisting forces. These predictions are compared with the seismic responses obtained from time-history analyses of a five-story building structure under moderate and severe earthquakes. Then, the trend of the resistance eccentricity corresponding to the maximum edge drift is investigated for elastic and inelastic responses. The comparison given in this study shows that these prediction equations can serve as a useful reference for the prediction in both the elastic and the inelastic ranges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.1
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pp.1-10
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2024
For important structures such as nuclear power plants, In-Structure Response Spectrum (ISRS) analysis is essential because it evaluates the safety of equipment and components installed in the structure. Because most structures are asymmetric, the response can be affected by eccentricity. In the case of seismically isolated structures, this effect can be greater due to the difference between the center of mass of the structure and the center of rigidity of the isolator layer. Therefore, eccentricity effects must be considered when designing or evaluating the ISRS of seismically isolated structures. This study investigated the change of the ISRS of an isolated structure by assuming accidental eccentricity. The variables that affect the ISRS of the isolated structure were analyzed to see what additional impact they had due to eccentricity. The ISRS of the seismically isolated structure with eccentricity was amplified more than when there was non-eccentricity, and it was boosted more significantly in specific period ranges depending on the isolator's initial stiffness and seismic intensity. Finally, whether the displacement requirement of isolators can be applied to the variation of the ISRS due to eccentricity in the design code was also examined.
The effect of earthquake induced torsion, due to mass eccentricities, is investigated with the objective of providing practical design guidelines for minimizing the torsional response of building structures. Current code provisions recommend performing three dimensional static or dynamic analyses, which involve shifting the centers of the floor masses from their nominal positions to what is called an accidental eccentricity. This procedure however may significantly increase the design cost of multistory buildings, due to the numerous possible spatial combinations of mass eccentricities and it is doubtful whether such a cost would be justifiable. This paper addresses this issue on a theoretical basis and investigates the torsional response of asymmetric multistory buildings in relation to their behavior when all floor masses lie on the same vertical line. This approach provides an insight on the overall seismic response of buildings and reveals how the torsional response of a structure is influenced by an arbitrary spatial combination of mass eccentricities. It also provides practical guidelines of how a structural configuration may be designed to sustain minor torsion, which is the main objective of any practicing engineer. A parametric study is presented on 9-story common building types having a mixed-type lateral load resisting system (frames, walls, coupled wall bents) and representative heightwise variations of accidental eccentricities.
The code static eccentricity model for elastic torsional design of structures has two critical shortcomings: (1) the negation of the inertial torsional moment at the center of mass (CM), particularly for torsionally-unbalanced (TU) building structures, and (2) the confusion caused by the discrepancy in the definition of the design eccentricity in codes and the resistance eccentricity commonly used by engineers such as in FEMA454. To overcome these shortcomings, using the resistance eccentricity model that can accommodate the inertial torsional moment at the CM, interactive relations between shear and torsion are proposed as follows: (1) elastic responses of structures at instants of peak edge-frame drifts are given as functions of resistance eccentricity, and (2) elastic hysteretic relationships between shear and torsion in forces and deformations are bounded by ellipsoids constructed using two adjacent dominant modes. Comparison of demands estimated using these two interactive relations with those from shake-table tests of two TU building structures (a 1:5-scale five-story reinforced concrete (RC) building model and a 1:12-scale 17-story RC building model) under the service level earthquake (SLE) show that these relations match experimental results of models reasonably well. Concepts proposed in this study enable engineers to not only visualize the overall picture of torsional behavior including the relationship between shear and torsion with the range of forces and deformations, but also pinpoint easily the information about critical responses of structures such as the maximum edge-frame drifts and the corresponding shear force and torsion moment with the eccentricity.
Seismic design codes permit the use of Equivalent Static Analysis of buildings considering torsional eccentricity e with dynamic amplification factors on structural eccentricity and some accidental eccentricity. Estimation of e in buildings is not addressed in codes. This paper presents a simple approximate method to estimate e in RC Moment Frame and RC Structural Wall buildings, which required no detailed structural analysis. The method is validated by 3D analysis (using commercial structural analysis software) of a spectrum of building. Results show that dynamic amplification factor should be applied on torsional eccentricity when performing Response Spectrum Analysis also. Also, irregular or mixed modes of oscillation arise in torsionally unsymmetrical buildings owing to poor geometric distribution of mass and stiffness in plan, which is captured by the mass participation ratio. These irregular modes can be avoided in buildings of any plan geometry by limiting the two critical parameters (normalised torsional eccentricity e/B and Natural Period Ratio 𝜏 =T𝜃/T, where B is building lateral dimension, T𝜃 uncoupled torsional natural period and T uncoupled translational natural period). Suggestions are made for new building code provisions.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.11a
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pp.140-143
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2003
Recently, many high-rise reinforced concrete (RC) bearing wall structures of multiple occupancy have been constructed, which have the irregularities of weak (or soft) story and torsion at the lower stories simultaneously. The study compared the eccentricity of such a building predicted by design codes, EC 8, IBC 2000 and UBC 97, and by the test results through a series of shaking table tests of 1:12 model. Based on the comparison of the predicted eccentricity and the test result, the conclusions are drawn as follow: Accidental torsion due to the uncertainty on the properties of structure can be reasonably predicted by using the dynamic analysis with the center of mass being shifted by 5 percent of the dimension of the building perpendicular to the direction of the excitations than by using equivalent lateral force procedure
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.6
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pp.67-74
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2010
Because of the difference between the actual and computed eccentricity of buildings, symmetrical buildings will be affected by torsion. In provisions, accidental eccentricity is intended to cover the effect of several factors, such as unfavorable distributions of dead- and live-load masses and the rotational component of ground motion about a vertical axis. The torsional amplification factor is introduced to reduce the vulnerability of torsionally imbalanced buildings. The effect of the torsional amplification factor is observed for a symmetric rectangular building with various aspect ratios, where the seismic-force-resisting elements are positioned at a variable distance from the geometrical center in each direction. For verifying the torsional amplification factor in provisions, nonlinear reinforced concrete models with various eccentricities and aspect ratios are used in rock. The difference between the maximum displacements of the flexible edge obtained between using nonlinear static and time-history analysis is very small but the difference between the maximum torsional angles is large.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.16
no.5
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pp.33-40
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2012
To reduce the vulnerability of torsional irregular buildings caused by seismic loads, the torsional amplification factor was introduced by the seismic code. This factor has been applied differently in a variety of seismic codes. In this study, the final static eccentricity, and the lateral and torsional stiffness ratios of buildings designed with different design eccentricities were compared. The increment of the torsional amplification factor resulted in a decrement of the final static eccentricity of the building. However, after reaching the maximum value of this factor, the final static eccentricity of the building increased again. The final static eccentricity of the building designed by multiplying the sum of the inherent and accidental eccentricity by the torsional amplification factor was zero or had a minus value, depending to the position of the vertical element.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.327-334
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2002
This paper develops an optimized torsional design method of asymmetric wall structures considering deformation capacities of walls. Contrary to the current torsional provisions, a deformation based torsional design is based on the assumption that stiffness and strength are dependent. Current torsional provisions specify two design eccentricity of stiffness to calculate the design forces of members. But such a methodology leads to an excessive over-strength of some members and an optimal torsional behavior is not ensured. Deformation-based torsional design uses displacement and rotation angle as design parameters and calculates base shear for inelastic torsional response directly. Because optimal torsional behavior can be defined based on the deformation of members, deformation based torsional design procedure can be applied to the optimal and performance-based torsional design. To consider the effect of accidental eccentricity, an over-strength factor is defined. The over-strength factor is determined from performance level, torsional resistance and arrangement of walls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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