Li, Yan-Wen;Yam, Michael C.H.;Zhang, Ping;Ke, Ke;Wang, Yan-Bo
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.5
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pp.611-628
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2022
Energy-dissipative rocking (EDR) columns are a class of seismic mitigation device capable of dissipating seismic energy and preventing weak-story failure of moment resisting frames (MRFs). An EDR consists of two hinge-supported steel columns interconnected by steel dampers along its height. Under earthquakes, the input seismic energy can be dissipated by plastic energy of the steel dampers in the EDR column. However, the unrecoverable plastic deformation of steel dampers generally results in residual drifts in the structural system. This paper presents a proof-of-concept study on an innovative device, namely self-centring energy-dissipative rocking (SC-EDR) column, aiming at enabling self-centring capability of the EDR column by installing a set of shape memory alloy (SMA) tension braces. The working mechanism of the SC-EDR column is presented in detail, and the feasibility of the new device is carefully examined via experimental and numerical studies considering the parameters of the SMA bar diameter and the steel damper plate thickness. The seismic responses including load carrying capacities, stress distributions, base rocking behaviour, source of residual deformation, and energy dissipation are discussed in detail. A rational combination of the steel damper and the SMA tension braces can achieve excellent energy dissipation and self-centring performance.
Earthquake excitations may induce important amount of seismic energy into structures. Current design philosophy mainly deals with the plastic deformations of replaceable energy dissipating devices rather than damages accumulated on structural members. Since earthquake damage is substantially concentrated on these devices they could be replaced after severe earthquakes. In this study, the efficiency of steel cushion (SC) on seismic improvement of a vulnerable reinforced concrete (RC) frame is determined by means of several numerical simulations. The cyclic shear behaviors of SCs were determined by performing quasi-static tests. The test results were the main basis of the theoretical model of SCs which were used in the numerical analysis. These analyses were performed on three types of RC frames namely bare frame (BF), full-braced frame (F-BF) and semi-braced frame (S-BF). According to analysis results; implementation of SCs has considerable effects in reducing the storey shear forces and storey drifts. Moreover plastic energy demands of structural elements were reduced which indicates a significant improvement in seismic behavior of the RC frame preventing damage accumulation on structural elements. Full-braced frame having SCs with the thickness of 25 mm has better performance than semi-braced frame interms of energy dissipation. However, global energy dissipation demand of S-BF and F-BF having SCs with the thickness of 18 mm are almost similar.
The sudden release of water from a dam failure can trigger bores on a flat surface and exert substantial impact forces on structures. This flow poses a high-risk flood hazard to downstream urban areas, making it imperative to study its impact on structures and devise effective energy dissipators to mitigate its force. In this study, a combination of Genetic Algorithm optimization and numerical modeling is employed to identify the optimal energy dissipator. The analysis reveals that a round arc-shaped structure proves most effective, followed by a triangular shape. These shapes offer wide adaptability in terms of structure dimensions. Structures with higher elevation, especially those with round or triangular shapes, demonstrate superior energy dissipation capabilities. Conversely, square-shaped structures necessitate minimal height to minimize impact forces. The optimal width for dissipating energy is found to be 0.9 meters, allowing for effective wave run-up and propagation. Furthermore, the force exerted on structures increases with higher initial water levels, but diminishes with distance from the dam, highlighting the importance of placement in mitigating impact forces.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.12
no.4
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pp.380-388
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2006
A noisy behavior of the time domain passivity controller during the period of low velocity is analyzed. Main reasons of the noisy behavior are investigated through a simulation with a one-DOF (Degree of Freedom) haptic interface model. It is shown that the PO/PC is ineffective in dissipating the produced energy when the sign of the velocity, which is numerically calculated from the measured position, is suddenly changed, and when this velocity is zero. These cases happen during the period of low velocity due to the limited resolution of the position sensor. New methods, ignoring the produced energy from the velocity sign change, and holding the control force while the velocity is zero, are proposed for removing the noisy behavior. The feasibility of the developed methods is proved with both a simulation and a real experiment.
The motivations of the application of shakedown analysis to the earthquake-resistant design of ductile moment-resisting steel structures are presented. The problems which must be solved with this application are also addressed. The illustrative results from a series of static and time history nonlinear analyses of one-bay three-story steel frame and the related discussions have shown that the incremental collapse may be the critical design criterion in case of earthquake loading. Based on the findings, it was concluded that the inelastic excursion mechanism for alternation load pattern, such as in earthquake, should be the sidesway mechanism of the whole structure for the efficient mobilization of the structural energy dissipating capacity and that the shakedown analysis technique can be used as a tool to ensure this mechanism.
Chung, Woo Jung;Yun, Chung Bang;Kim, Nam Sik;Seo, Ju Won
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.3
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pp.51-60
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1998
Base isolation is an innovative design strategy that provides a practical alternative for the seismic design of structures. Base isolators, mainly employed to isolate large structures subjected to earthquake ground excitations and to rehabilitate structures damaged by past earthquakes, deflect and absorb the seismic energy horizontally transmitted to the structures. This study demonstrated that the base isolation system may offer effective performance for bridges during severe seismic events through shaking table tests. Two base isolation systems using laminated rubber bearings with and without hydraulic dampers are tested. The test results strongly show that the laminate rubber bearings cause the natural period of the bridge structure increased considerably, which results in the deck acceleration and the shear forces on the deck acceleratino and the shear forces on the piers reduced significantly. The results also demonstrate that the hydraulic dampers enhance the system's capacity in dissipating energy to reduce the relative displacement between the bridge deck and the pier.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.4
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pp.45-52
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2020
In this study, performance experiments were performed on the shape of steel dampers that affect the rocking behavior. Three types of strut shapes of SI type, SV type and SS type were considered as experimental variables. As a result of the experiment, the capacity to resist the moment and drift ratio according to the strut shape of the steel damper was evaluated as very close. Finally, it was evaluated that the SV type steel damper has stable deformation and energy dissipation capability. As a result of the evaluation of the proposed damper transmission force, it is considered that the damper transmission force is evaluated larger than the applied horizontal force, and it is necessary to supplement it.
Steel moment resisting frames (MRFs) typically have inter-story drift concentrations at lower stories during earthquakes as found from previous research. Hinged walls (HWs) can be used as structural strengthening components to force the MRFs deform uniformly along the building height. However, large moment demands are often observed on HWs and make the design of HWs non-economical. This paper proposes a method to reduce the moment demand on HWs using a ductile connection system between the MRFs and the HWs. The ductile connection system is designed with a yield strength and energy dissipation capacity, for the purpose of limiting the seismic forces transferred to the HWs and dissipating seismic energy. Nonlinear time history analyses were performed using 10 far-filed earthquakes at maximum considered earthquake level. The analysis results show that the proposed ductile connection system can reduce: (1) seismic moment demands in the HWs; (2) floor accelerations; (3) the connection force between HWs and MRFs.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.12
no.5
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pp.457-463
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2006
Recently proposed control scheme for a stable teleoperation, which was based on two-port time-domain passivity approach[21], has been successful for a contact with high stiffness environments. However, we found several conservatisms during the contact with deformable environments and unconstrained motion. The two-port time-domain passivity controller was excessively dissipating energy even though it was not necessary for some cases of an unconstrained motion and soft contact. The main reason of those conservatisms was on the fact that the two-port time-domain passivity controller was activated without considering the amount of energy dissipation at the master and slave manipulators. Especially, the exclusion of the slave manipulator from the two-port was the dominant reason of the conservatisms. In this paper, we consider the amount of energy dissipation at slave manipulator for designing the time-domain passivity observer and controller. The measured interaction force between slave manipulator and environment allow the time-domain passivity observer to include the amount of energy dissipation at the slave manipulator. Based on the modified passivity observer, reference energy following method[24] is applied to satisfy the passivity condition in real-time. The feasibility of the developed methods is proved with experiments. Improved performance is obtained for an interaction with deformable environments and an unconstrained motion.
Conventional braces are often used to provide stiffness to structures; however due to buckling they cannot be used as seismic energy dissipating elements. In this study, a seismic energy dissipation device is proposed which is comprised of a bracing member and a steel hysteretic damper made of steel hexagonal plates. The hexagonal shaped designated fuse causes formation of plastic hinges under axial deformation of the brace. The main advantages of this damper compared to conventional metallic dampers and buckling-restrained braces are the stable and controlled energy dissipation capability with ease of manufacture. The mechanical behavior of the damper is formulated first and a design procedure is provided. Next, the theoretical formulation and the efficiency of the damper are verified using finite element (FE) analyses. An analytical model of the damper is established and its efficiency is further investigated by applying it to seismic retrofit of a case study structure. The seismic performance of the structure is evaluated before and after retrofit in terms of maximum interstory drift ratio, top story displacement, residual displacement, and energy dissipation of dampers. Overall, the median of maximum interstory drift ratios is reduced from 3.8% to 1.6% and the residual displacement decreased in the x-direction which corresponds to the predominant mode shape of the structure. The analysis results show that the developed damper can provide cost-effective seismic protection of structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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