This paper presents an illustrative example of the advantages offered by inserting added viscous dampers into shear-type structures in accordance with a special scheme based upon the mass proportional damping (MPD) component of the Rayleigh viscous damping matrix. In previous works developed by the authors, it has been widely shown that, within the class of Rayleigh damped systems and under the "equal total cost" constraint, the MPD system provides best overall performance both in terms of minimising top-storey mean square response to a white noise stochastic input and maximising the weighted average of modal damping ratios. A numerical verification of the advantages offered by the application of MPD systems to a realistic structure is presented herein with reference to a 4-storey reinforced-concrete frame. The dynamic response of the frame subjected to both stochastic inputs and several recorded earthquake ground motions is here analysed in detail. The results confirm the good dissipative properties of MPD systems and indicate that this is achieved at the expense of relatively small damping forces.
A damage-based seismic design procedure for steel frame structures is formulated as an optimization problem, in which minimization of the initial construction cost is treated as the objective of the problem. The performance constraint of the design procedure is to achieve "repairable" damage state for earthquake demands that are less severe than the design ground motions. The Park-Ang damage index is selected as the seismic damage measure for the quantification of structural damage. The charged system search (CSS) algorithm is employed as the optimization algorithm to search the optimum solutions. To improve the time efficiency of the solution algorithm, two simplifying strategies are adopted: first, SDOF idealization of multi-story building structures capable of estimating the actual seismic response in a very short time; second, fitness approximation decreasing the number of fitness function evaluations. The results from a numerical application of the proposed framework for designing a twelve-story 3D steel frame structure demonstrate its efficiency in solving the present optimization problem.
Pounding of adjacent structures are always a notable reason for damages after strong ground motions, but it is already unforeseen detail in newly constructed structures. Thus, several approaches have been proposed in order to prevent the pounding of structures. By using optimally tuned mass dampers, it is possible to decrease the displacement vibrations of structures. But in adjacent structures, the response of both structures must be considered in the objective function of optimization process. In this paper, two different designs of Tuned Mass Dampers (TMD) are investigated. The first design covers independent TMDs on both structures. In the second design, adjacent structures are coupled by a TMD on the top of the structures. Optimum TMD parameters are found by using the developed optimization methodology employing harmony search algorithm. The proposed method is presented with single degree of freedom and multiple degree of freedom structures. Results show that the coupled design is not effective on multiple degree of freedom adjacent structures. The coupled design is only effective for rigid structures with a single degree of freedom while the use of independent TMDs are effective on both rigid and flexural structures.
Semi-active control systems have attracted a great deal of attention in recent years because these systems can operate on battery power alone, proving advantageous during seismic events when the main power source of the structure may likely fail. The behavior of semi-active devices is often highly non-linear and requires suitable and efficient control algorithm. This paper presents the comparative study and performance of variable semi-active friction dampers by using recently proposed predictive control law with direct output feedback. In this control law, the variable slip force of semi-active variable friction damper is kept slightly lower than the critical friction force, which allows the damper to remain in the slip state during an earthquake, resulting in improved energy dissipation capability. This control algorithm is able to produce a continuous and smooth slip forces for a variable friction damper. The numerical examples include a structure controlled with multiple variable semi-active friction dampers and with multiple passive friction dampers. A parameter, gain multiplier defined as the ratio of damper force to critical damper control force, is investigated under four different real earthquake ground motions, which plays an important role in the present control algorithm of the damper. The numerically evaluated optimum parametric value is considered for the analysis of the structure with dampers. The numerical results of the variable friction dampers show better performance over the passive dampers in reducing the seismic response of structures.
A large main shock may consist of numerous aftershocks with a short period. The aftershocks induced by a large main shock can cause the collapse of a structure that has been already damaged by the preceding main shock. These aftershocks are important factors in structural damages. Furthermore, despite what is often assumed in seismic design codes, earthquakes do not usually occur as a single event, but as a series of strong aftershocks and even fore shocks. For this reason, this study investigates the effect and potential of consecutive earthquakes on the response and behavior of concrete structures. At first, six moment resisting concrete frames with 3, 5, 7, 10, 12 and 15 stories are designed and analyzed under two different records with seismic sequences from real and artificial cases. The damage states of the model frames were then measured by the Park and Ang's damage index. From the results of this investigation, it is observed that the sequences of ground motions can almost double the accumulated damage and increased response of structures. Therefore, it is certainly insufficient to ignore this effect in the design procedure of structures. Also, the use of artificial seismic sequences as design earthquake can lead to non-conservative prediction of behavior and damage of structures under real seismic sequences.
Dams are important structures for management of water supply for irrigation or drinking, flood control, and electricity generation. In seismic regions, the structural safety of concrete gravity dams is important due to the high potential of life and economic loss if they fail. Therefore, the seismic analysis of existing dams in seismically active regions is crucial for predicting responses of dams to ground motions. In this paper, earthquake response of concrete gravity dams is investigated using the finite element (FE) method. The FE model accounts for dam-water-foundation rock interaction by considering compressible water, flexible foundation effects, and absorptive reservoir bottom materials. Several uncertainties regarding structural attributes of the dam and external actions are considered to obtain the fragility curves of the dam-water-foundation rock system. The structural uncertainties are sampled using the Latin Hypercube Sampling method. The Pine Flat Dam in the Central Valley of Fresno County, California, is selected to demonstrate the methodology for several limit states. The fragility curves for base sliding, and excessive deformation limit states are obtained by performing non-linear time history analyses. Tensile cracking including the complex state of stress that occurs in dams was also considered. Normal, Log-Normal and Weibull distribution types are considered as possible fits for fragility curves. It was found that the effect of the minimum principal stress on tensile strength is insignificant. It is also found that the probability of failure of tensile cracking is higher than that for base sliding of the dam. Furthermore, the loss of reservoir control is unlikely for a moderate earthquake.
An innovative multi-story Semi-Active Tuned Mass Damper (SATMD) building system is proposed to control seismic response of existing structures. The application of adding new stories as large tuned mass and semi-active (SA) resettable actuators as central features of the control scheme is derived. For the effective control of the structures, the optimal tuning parameters are considered for the large mass ratio, for which a previously proposed equation is used and the practical optimal stiffness is allocated to the actuator stiffness and rubber bearing stiffness. A two-degree-of freedom (2-DOF) model is adopted to verify the principal efficiency of the suggested structural control concept. The simulations for this study utilizes the three ground motions, from SAC project, having probability of exceedance of 50% in 50 years, 10% in 50 years, and 2% in 50 years for the Los Angeles region. 12-story moment resisting frames, which are modified as '12+2' and '12+4' story structures, are investigated to assess the viability and effectiveness of the system that aims to reduce the response of the buildings to earthquakes. The control ability of the SATMD scheme is compared to that of an uncontrolled and an ideal Passive Tuned Mass Damper (PTMD) building system. From the performance results of suggested '12+2' and '12+4' story retrofitting case studies, SATMD systems shows significant promise for application of structural control where extra stories might be added.
This study presents the nonlinear dynamic analysis method of the bridge with the seismic isolation bearing. Also the numerical analyses are performed for investigating the response characteristics of the bridge isolated with the lead-rubber bearing under the ground motions compatible to Korea bridge design response spectra. It is found that the pier design force can be considerably smaller than the one for the bridge with the fixed bearing. It is observed that the lead-rubber bearing has the great effectiveness for reducing the longitudinal seismic force in case of the bridges with low and medium periods. Therefore the seismic isolation bearing can be used instead of the fixed bearing for the economic and safe design of the bridge.
Sy, Jose A.;Anwar, Naveed;HtutAung, Thaung;Rayamajhi, Deepak
International Journal of High-Rise Buildings
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v.1
no.3
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pp.203-209
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2012
The purpose of this paper is to present the state of practice being used in the Philippines for the performance-based seismic design of reinforced concrete tall buildings. Initially, the overall methodology follows "An Alternative Procedure for Seismic Analysis and Design of Tall Buildings Located in the Los Angeles Region, 2008", which was developed by Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council. After 2010, the design procedure follows "Tall Buildings Initiative, Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings, 2010" developed by Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER). After the completion of preliminary design in accordance with code-based design procedures, the performance of the building is checked for serviceable behaviour for frequent earthquakes (50% probability of exceedance in 30 years, i.e,, with 43-year return period) and very low probability of collapse under extremely rare earthquakes (2% of probability of exceedance in 50 years, i.e., 2475-year return period). In the analysis, finite element models with various complexity and refinements are used in different types of analyses using, linear-static, multi-mode pushover, and nonlinear-dynamic analyses, as appropriate. Site-specific seismic input ground motions are used to check the level of performance under the potential hazard, which is likely to be experienced. Sample project conducted using performance-based seismic design procedures is also briefly presented.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.6
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pp.45-53
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2011
The purpose of this study was to propose a design procedure for a damped structure with a friction damper for an existing structure. The target displacement of the damped structure was determined using the maximum displacement of the existing structure. The displacement of the damped structures was predicted using a proposed equation for the inelastic displacement ratio. For this study, we conducted a nonlinear response history analysis using 80 earthquake ground motions to verify the validity of the proposed design procedure by comparing the responses of the damped and undamped structures. Based on the dynamic analysis results, it was concluded that the predicted displacement of the damped structure using the proposed design procedure matched well with the analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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