Elwardany, Hytham;Mosa, Beshoy;Khedr, M. Diaa Eldin;Seleemah, Ayman
Structural Engineering and Mechanics
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제83권2호
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pp.153-166
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2022
Structural pounding due to strong seismic excitations can result in severe damage or even collapse of colliding structures. Many researchers focused on studying the mutual pounding between two adjacent structures while very few researches were concerned with the pounding of a series of structures. This paper aims to study the pounding effect on a series of four buildings having different natural frequencies. The paper also investigates the effect of different arrangements of the four buildings on their pounding response. For this, a mathematical model was constructed using Matlab code where, pounding was modeled using a contact force-based approach. A Non-Linear viscoelastic (Hertzdamp) contact element was used and activated only during the approach period of collision. The mathematical model was validated by comparing its prediction versus experimental results on three adjacent buildings. Then the model was used to study the pounding between four adjacent structures arranged in different sequences according to their natural frequencies. The results revealed that increasing the gap distance generally led to decrease the peak responses of the towers. Such response is somehow different from that predicted earlier by the authors for the case of three adjacent buildings. Moreover, the arrangement of towers has a significant effect on their pounding response. Significant difference between the natural frequencies of adjacent structures increases the pounding forces especially when the more flexible buildings are located at the outer edge of the series. The study points out the need for further researches on buildings in series to gain a better understanding of such complex phenomena.
본 연구는 도심지 환경 표면파기법의 개발에 요구되는 지식기반을 구축하기 위한 기초연구로서, 표면파 분산특성에 대한 인접구조물의 영향을 연구하였다. 표면파의 이론적 모델링 기법을 활용하여 지반 강성구조에 따른 표면파 에너지의 전파유형을 분석함으로써 인접구조물의 간섭이 발생할 수 있는 조건을 고찰하였다. 그리고 인접구조물 모형이 설치되어 있는 현장지반과 지하철 박스구조물이 인접한 현장지반에서 표면파 시험을 수행하여, 표면파 전파에 대한 인접구조물의 간섭효과를 실험적으로 평가하였다. 이러한 이론적, 실험적 연구 결과에 의하여 인접구조물이 위치한 지반에 있어서 표면파 탐사의 신뢰도를 결정하는 주 영향인자는 인접구조물로부터의 측선 거리, 지반의 층간 강성대비, 표면파 발진원 형태 등임을 확인하였다.
본 연구는 터널굴착 공사에 의한 지반거동을 평가하여, 구조물의 형상, 위치, 굴착공정 변화등의 다양한 조건과 지반/구조물의 상호작용이 고려된 모형실험을 기본으로 수행하였다. 굴착진행 단계에 따른 구조물의 손상 거동 평가시 인접 구조물이 밀집된 도심지 굴착에서는 보다 안전하고 보수적인 평가가 나타나는 각변위와 수평변형율에 의한 손상도표를 활용하는 것이 보다 안전할 것으로 판단된다. 모형실험시 구조물에 발생된 균열의 손상수준을 손상도표에서 평가해 본 결과, 균열손상 수준이 적용된 평가가 각변위와 수평변형율만 적용된 손상수준보다 안전측으로 평가되는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로, 각변위와 수평변형율 뿐만 아니라 균열이 고려된 손상평가를 수행하는 것이 보다 바람직할 것으로 판단된다.
Geotechnical sites in urban areas may have embedded structures such as utility lines and underground concrete structures, which cause difficulties in site investigation. This study is a preliminary research to establish knowledge base for developing an optimal technique for site investigation in urban areas. Surface-wave method and resistivity survey, which are frequently adopted for non-destructive site-investigation for geotechnical sites, were investigated to characterize effects of adjacent structures. In case of surface wave method, patterns of wave propagation were investigated for typical sets of multi-layered geotechnical profiles by numerical simulation based on forward modeling theory and field experiments for small-size model tests and real-scale tests in the field. In case of resistivity survey, 3-D finite element analyses and field tests were performed to investigate effects of adjacent concrete structures. These theoretical and experimental researches for surface-wave method and resistivity survey resulted in establishing physical criteria to cause interference of adjacent structures in site investigation at urban areas.
This study proposes a new vibration control approach for adjacent twin structures, which is termed as viscous damper asymmetric coupling system in this paper. The proposed system takes a concept that the diagonal bracing viscous dampers are asymmetrically distributed in two buildings to break the behavior symmetry of the twin buildings and then the coupling viscous damper is additionally installed at the top floor of the two buildings to couple both buildings and interactively transfer the asymmetric behavior-caused damping forces into both buildings. These asymmetric damping distributions and interacting damping forces of the connection damper efficiently suppress the overall vibration of the damper-coupled adjacent twin buildings efficiently. Genetic algorithm (GA) based multi-objective optimization technique is adopted for optimal design of the proposed system. In the numerical example of adjacent twin 10-story building structures, the conventional control approach, that is, uniform damping distribution system (UDS) is also taken into account for comparison purpose. The optimization results verify that the proposed system either can improve the control performance over the UDS with the same damping capacity, or can save the damping capacity significantly while maintaining the similar level of control performance to the UDS.
Under strong ground motion, pounding can be caused because of the different dynamic properties between two adjacent buildings. Using different structural systems in two adjacent structures makes a difference in the lateral stiffness and thus changes the pounding force between them. In this paper, the effect of the structural system of adjacent buildings on the amount of force applied by pounding effects has been investigated. Moment resisting frame systems (MRFs), lateral X-bracing system (LBS), shear wall system (SWS) and dual system (DS) have been investigated. Four different cases has been modelled using finite element (FE) method. The number of stories of the two adjacent buildings is different in each case: case 1 with 6 and 4 stories, case 2 with 9 and 6 stories, case 3 with 15 and 6 stories and case 4 with 10 and 10 stories. The structures have been modelled three-dimensionally. Non-linear time history analysis has been done on the structures using the finite element software SAP2000. In order to model pounding effects, the non-linear gap elements have been used.
This study deals with new application method of the connecting tuned mass damper (CTMD) system for efficient vibration control of adjacent twin structures which have the same dynamic properties such as natural frequency and damping characteristics to each other. In the existing research, the vibration control of the twin structures has a limit to the application of the conventional damper-connection method of the twin structures. Due to the same frequency characteristics leading to the equally vibrating behaviors, it is impossible to apply the conventional connection method of the adjacent structures. In order to overcome these limitations induced by the symmetry of the dynamic characteristics, we propose a new CTMD-based control system that adopts the conventional connection configuration but unbalances the symmetric system by arranging the control device asymmetrically and then can finally achieve the efficient control performance. In order to demonstrate the applicability of the proposed system, numerical simulations of the optimally designed proposed system have been performed in comparison with the optimal design results of the existing independent single tuned mass damper (STMD) control system and the another optimal control system previously proposed by the same author, hereafter called CTMD-OsTMD. The comparative results of the control performances among STMD, CTMD-OsTMD and the proposed CTMD systems verified that the newly proposed control system can be a control-efficient and cost-effective system for vibration suppression of the two adjacent twin structures.
Dynamic response of two adjacent single degree-of-freedom (SDOF) structures connected with friction damper under base excitation is investigated. The base excitation is modeled as a stationary white-noise random process. As the force-deformation behavior of friction damper is non linear, the dynamic response of connected structures is obtained using the equivalent linearization technique. It is observed that there exists an optimum value of the limiting frictional force of the damper for which the mean square displacement and the mean square absolute acceleration responses of the connected structures attains the minimum value. The close form expressions for the optimum value of damper frictional force and corresponding mean square responses of the coupled undamped structures are derived. These expressions can be used for initial optimal design of the friction damper for connected structures. A parametric study is also carried out to investigate the influence of system parameters such as frequency ratio and mass ratio on the response of the coupled structures. It has been observed that the frequency ratio has significant effect on the performance of the friction damper, whereas the effects of mass ratio are marginal. Finally, the verification of the derived close from expressions is made by correlating the response of connected structures under real earthquake excitations.
Connection of adjacent buildings with stiff links is an efficient approach for seismic pounding mitigation. However, use of highly rigid links might alter the torsional response in asymmetric plans and although this was mentioned in the literature, no quantitative study has been done before to investigate the condition numerically. In this paper, the effect of rigid coupling on the elastic lateral-torsional response of two adjacent one-story column-type buildings has been studied by comparison to uncoupled structures. Three cases are considered, including two similar asymmetric structures, two adjacent asymmetric structures with different dynamic properties and a symmetric system adjacent to an adjacent asymmetric one. After an acceptable validation against the actual earthquake, the traditional random vibration method has been utilized for dynamic analysis under Ideal white noise input. Results demonstrate that rigid coupling may increase or decrease the rotational response, depending on eccentricities, torsional-to-lateral stiffness ratios and relative uncoupled lateral stiffness of adjacent buildings. Results are also discussed for the case of using identical cross section for all columns supporting eachplan. In contrast to symmetric systems, base shear increase in the stiffer building may be avoided when the buildings lateral stiffness ratio is less than 2. However, the eccentricity increases the rotation of the plans for high rotational stiffness of the buildings.
본 연구는 도심지터널 시공시 막장진행에 따라 다양하게 계측된 현장의 계측치 분석을 통하여 막장 진행에 따른 터널 주변지반의 거동 및 인접구조물의 3차원 거동을 상호 규명하였으며, 일반적으로 터널설계시 적용되는 Mohr-Coulomb 모델 및 막강관찰 자료를 바탕으로 한 Hoek-Brown 현장암반모델을 적용한 3차원 유한요소해석을 실시하여 각각의 결과를 비교 검토하여 이들 지반 및 구조물 거동을 규명하였다. 막장 진행에 따른 침하 양상은 greenfield 상태에서의 거동과는 차이를 보이고 있으며 구조물의 위치와 강성 그리고 하중에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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