Implementation of component isolation in nuclear industry is challenging due to gaps in research and the lack of specific guidelines. In this study, parameters affecting component-level isolation of advanced reactor vessels are identified based on a representative numerical model with explicit consideration of nonlinear soil-structure interaction (SSI). The objective of this study is to evaluate the effectiveness of, and to identify potential limitations of using conventional friction pendulum bearings to seismically isolate vessels. It is found that slender vessels or components are particularly vulnerable to rotational accelerations at the isolation interface, which are caused by rotation of the sub-structure and by excitation of higher modes in the horizontal direction of the seismically isolated system. Component isolation is found to be more effective for relatively stiffer vessels and at sites with stiff soil. Considering that conventional isolators are deficient in resisting axial tension, it is observed that the optimum location for supporting a component to achieve seismic isolation, is at a cross-sectional plane passing through the center of mass of the vessel. These findings are corroborated by numerous simulations of the response of seismically isolated reactor vessels at different nuclear power plant sites subject to a variety of ground motions.
Yurdakul, Muhammet;Ates, Sevket;Altunisik, Ahmet Can
Earthquakes and Structures
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제7권4호
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pp.511-525
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2014
The main object of this study is to determine and compare the structural behavior of base isolated long span highway bridge, $G\ddot{u}lburnu$ Highway Bridge, using single concave friction pendulum (SCFP) and triple concave friction pendulum (TCFP). The bridge is seismically isolated in the design phase to increase the main period and reduce the horizontal forces with moments using SCFP bearings. In the content of the paper, firstly three dimensional finite element model (FEM) of the bridge is constituted using project drawings by SAP2000 software. The dynamic characteristics such as natural frequencies and periods, and the structural response such as displacements, axial forces, shear forces and torsional moments are attained from the modal and dynamic analyses. After, FEM of the bridge is updated using TCFP and the analyses are performed. At the end of the study, the dynamic characteristics and internal forces are compared with each other to extract the TCFP effect. To emphasize the base isolation effect, the non-isolated structural analysis results are added to graphics. The predominant frequencies of bridge non-isolated, isolated with SCFP and isolated with TCFP conditions decreased from 0.849Hz to 0.497Hz and 0.338Hz, respectively. The maximum vertical displacements are obtained as 57cm, 54cm and 44cm for non-isolated, isolated with SCFP and isolated with TCFP conditions, respectively. The maximum vertical displacement reduction between isolated with TCFP bearing and isolated with SCFP bearing bridge is %23. Maximum axial forces are obtained as 60619kN, 18728kN and 7382kN, maximum shear forces are obtained as 23408kN, 17913kN and 16249kN and maximum torsional moments are obtained as 24020kNm, 7619kNm and 3840kNm for non-isolated, isolated with SCFP and isolated with TCFP conditions, respectively.
연구목적: 2016년 9월 경주 이후 구조물 및 비구조물의 지진 안전성 및 내진성능에 관한 문제가 이슈화 되고 있으며, 특히 배관 시스템의 경우 구조요소 보다 지진 발생시 내진성능에 있어서 취약하다고 볼 수 있다. 스프링클러 배관 시스템과 같은 비구조적 구성요소의 손상으로 인해 지진 발생 및 이후에 상당한 경제적 손실이나 생명 손실을 초래 할 수 있다. 연구방법: 본 연구는 Triple Friction Pendulum Bearings (TPBs)을 설치한 건물 배관 시스템을 이용한 소방 배관 시스템의 내진성능평가를 제시한다. Kobe, Kocaeli, GyeongJu 지진을 고려하여 지반 운동의 불확실성을 고려하였다. 연구결과: 빌딩 시스템과 파이핑 시스템의 첫 번째 모드는 각각 약 5.8Hz와 약 2.742Hz로 나타났으며, 또한 TPBs 시스템이 적용된 배관 시스템의 최대 변위는 Kobe, Kocaeli 및 GyeongJu 지진의 경우 각각 49%, 14.4%, 21.5%가 감소한 것으로 나타났다. 결론: 따라서 건물 배관 시스템에서 지진 격리 시스템을 사용하면 지진이 심할 때 TPB가 없는 일반적으로 설치된 걸물 배관 시스템보다 지진 위험을 줄일 수 있다.
Kamalzare, Mahmoud;Johnson, Erik A.;Wojtkiewicz, Steven F.
Smart Structures and Systems
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제15권3호
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pp.847-862
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2015
Typical base isolated buildings are designed so that the superstructure remains elastic in design-level earthquakes, though the isolation layer is often quite nonlinear using, e.g., hysteretic elements such as lead-rubber bearings and friction pendulum bearings. Similarly, other well-performing structural control systems keep the structure within the linear range except during the most extreme of excitations. Design optimization of these isolators or other structural control systems requires computationally-expensive response simulations of the (mostly or fully) linear structural system with the nonlinear structural control devices. Standard nonlinear structural analysis algorithms ignore the localized nature of these nonlinearities when computing responses. This paper proposes an approach for the computationally-efficient optimal design of passive isolators by extending a methodology previously developed by the authors for accelerating the response calculation of mostly linear systems with local features (linear or nonlinear, deterministic or random). The methodology is explained and applied to a numerical example of a base isolated building with a hysteretic isolation layer. The computational efficiency of the proposed approach is shown to be significant for this simple problem, and is expected to be even more dramatic for more complex systems.
본 연구에서는 원전기기의 내진안전성을 증가시키기 위해 면진장치를 적용한 기기의 진동대 실험을 수행하였다. 원전구조물과 유사한 진동수 특성을 가지는 실험모형을 제작하여 실험에 사용하였으며 구조물 내부의 기기를 모형화 하기 위하여 400kg의 강체를 사용하였다. 탁월주파수 특성이 상이한 3종류 지진파를 이용하여 진동대 실험을 수행하였다. 면진장치로는 마찰진자형 베어링(FPS)을 사용하였다. 입력지진의 최대가속도를 0.1g, 0.2g, 0.25g의 3단계로 변화시키면서 실험을 수행하였고 또한 1방향, 2방향 및 3방향 가진에 의한 거동을 분석하였다. 실험결과 지진파의 연직성분이 FPS의 면진성능에 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며 펄스타입의 속도성분이 큰 근거리 지진인 경우 면진효과가 감소하는 것을 알 수 있었다.
The effects of vertical component of earthquakes on torsional amplification due to mass eccentricity in seismic responses of base-isolated structures subjected to near-field ground motions are studied in this paper. 3-, 6- and 9-story superstructures and aspect ratios of 1, 2 and 3 have been modeled as steel special moment frames mounted on Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratios. Three-dimensional linear superstructures resting on nonlinear isolators are subjected to both 2 and 3 component near-field ground motions. Effects of mass eccentricity and vertical component of 25 near-field earthquakes on the seismic responses including maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration are studied. The results indicate that the effect of vertical component on the responses of asymmetric structures, especially on the base shear is significant. Therefore, it can be claimed that in the absence of the vertical component, mass eccentricity has a little effect on the base shear increase. Additionally, the impact of this component on acceleration is remarkable so the roof acceleration of a nine-story structure has been increased 1.67 times, compared to the case that the structure is subjected to only horizontal components of earthquakes.
지진취약도 분석을 통하여 교량의 지진 위험도를 평가하였다. 지진취약도 분석에서는 교각 하부의 소성힌지의 거동을 주요 손상인자로 분석하였으며, 또한 한반도 지진재해지도를 근거로 하여 지진발생확률을 산정한 후 이들을 이용하여 교량의 성능단계에 따른 손상발생확률을 분석하였다. 이 연구에서는 교각에 직접 전달되는 지진이 아닌 암반노두에서의 지진의 최대지반가속도에 대하여 지진취약도를 분석하였으며, 비선형 지진해석을 위해서는 층상지반의 영향으로 증폭된 지진하중을 고려하였다. 제안된 방법으로 예제교량의 지진위험도를 분석하였으며, 면진받침이 설치된 교량에 대한 지진 위험도의 저감 효과를 정량적으로 분석하였고, 지진재해지도에서의 조건이 다른 지역에 시공되는 경우의 지진위험도를 분석함으로써 현 시방서의 타당성을 간접적으로 검토하였다.
A parametric study on the nonlinear seismic response of isolated reinforced concrete structural frame is presented. Three prototype frames designed according to the 1954 Hellenic seismic code, with number of floor ranging from 1 to 3 were considered. These low rise frames are representative of many existing reinforced concrete buildings in Greece. The efficacy of the implementation of both lead rubber bearings (LRB) and friction pendulum isolators (FPI) base isolation systems were examined. The selection of the isolation devices was made according to the ratio $T_{is}/T_{fb}$, where Tis is the period of the base isolation system and $T_{bf}$ is the period of the fixed-base building. The main purpose of this comprehensive study is to investigate the effect of the isolation system period on the seismic response of inadequately designed low rise buildings. Thus, the implementation of isolation systems which correspond to the ratio $T_{is}/T_{fb}$ that values from 3 to 5 is studied. Nonlinear time history analyses were performed to investigate the response of the isolated structures using a set of three natural seismic ground motions. The evaluation of each retrofitting case was made in terms of storey drift and storey shear force while in view of serviceability it was made in terms of storey acceleration. Finally, the maximum developed displacements and the residual displacements of the isolation systems are presented.
In this paper, the effects of mass eccentricity of superstructure as well as stiffness eccentricity of isolators on the amplification of seismic responses of base-isolated structures are investigated by using mathematical near-fault pulse models. Superstructures with 3, 6 and 9 stories and aspect ratios equal to 1, 2 and 3 are mounted on a reasonable variety of Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratio. Three-dimensional linear superstructure mounted on nonlinear isolators are subjected to simplified pulses including fling step and forward directivity while various pulse period ($T_p$) and Peak Ground Velocity (PGV) amounts as two crucial parameters of these pulses are scrutinized. Maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration and drift are selected as the main engineering demand parameters. The results indicate that the torsional intensification of different demand parameters caused by superstructure mass eccentricity is more significant than isolator stiffness eccentricity. The torsion due to mass eccentricity has intensified the base shear of asymmetric 6-story model 2.55 times comparing to symmetric one. In similar circumstances, the isolator displacement and roof acceleration are increased 49 and 116 percent respectively in the presence of mass eccentricity. Furthermore, it is demonstrated that torsional effects of mass eccentricity can force the drift to reach the allowable limit of ASCE 7 standard in the presence of forward directivity pulses.
Base isolation technologies have been proven to be very efficient in protecting structures from seismic hazards during experimental and theoretical studies. In recent years, there have been more and more engineering applications using base isolators to upgrade the seismic resistibility of structures. Optimum design of the base isolator can lessen the undesirable seismic hazard with the most efficiency. Hence, tracing the nonlinear behavior of the base isolator with good accuracy is important in the engineering profession. In order to predict the nonlinear behavior of base isolated structures precisely, hundreds even thousands of degrees-of-freedom and iterative algorithm are required for nonlinear time history analysis. In view of this, a simple and feasible exact formulation without any iteration has been proposed in this study to calculate the seismic responses of structures with base isolators. Comparison between the experimental results from shaking table tests conducted at National Center for Research on Earthquake Engineering in Taiwan and the analytical results show that the proposed method can accurately simulate the seismic behavior of base isolated structures with elastomeric bearings. Furthermore, it is also shown that the proposed method can predict the nonlinear behavior of the VCFPS isolated structure with accuracy as compared to that from the nonlinear finite element program. Therefore, the proposed concept can be used as a simple and practical tool for engineering professions for designing the elastomeric bearing as well as sliding bearing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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