The use of energy concepts in seismic analysis and design of structures requires the understanding of the input energy response of multi-degree-of-freedom (MDOF) systems subjected to strong ground motions. For design purposes and non-time consuming analysis, however, it would be beneficial to associate the input energy response of MDOF systems with those of single-degree-of-freedom (SDOF) systems. In this paper, the theoretical formulation of energy input to MDOF systems is developed on the basis that only a particular portion of the total mass distributed among floor levels is effective in the nth-mode response. The input energy response histories of several reinforced concrete frames subjected to a set of eleven horizontal acceleration histories selected from actual recorded events and scaled in time domain are obtained. The contribution of the fundamental mode to the total input energy response of MDOF frames is demonstrated both graphically and numerically. The input energy of the fundamental mode is found to be a good indicator of the total energy input to two-dimensional regular MDOF structures. The numerical results computed by the proposed formulation are verified with relative input energy time histories directly computed from linear time history analysis. Finally, the elastic input energies are compared with those computed from time history analysis of nonlinear MDOF systems.
Energy-based seismic design and evaluation methods are promising to be involved in the next generation design codes. Accordingly, determining the distribution of earthquake input energy demand among floor levels is quite imperative in order to develop an energy-based seismic design procedure. In this paper, peak floor input energy demands are achieved from relative input energy response histories of several reinforced concrete (RC) frames. A set of 22 horizontal acceleration histories selected from recorded near-fault earthquakes and scaled in time domain to be compatible with the elastic acceleration design spectra of Turkish Seismic Design Code are used in time history analyses. The distribution of the computed input energy per mass values and the arithmetic means through the height of the considered RC frames are presented as a result. It is found that spatial distribution of input energy per mass is highly affected by the number of stories. Very practical yet consistent formulation of distributing the total input energy to story levels is achieved, as a most important contribution of the study.
Energy-based seismic design of structures has gradually become prominent in today's structural engineering investigations because of being more rational and reliable when it is compared to traditional force-based and displacement-based methods. Energy-based approaches have widely taken place in many previous studies and investigations and undoubtedly, they are going to play more important role in future seismic design codes, too. This paper aims to compute the maximum earthquake energy input to elastic single-degree-of-freedom (SDOF) systems for selected real ground motion records. A data set containing 100 real ground motion records which have the same site soil profiles has been selected from Pacific Earthquake Research (PEER) database. Response time history (RTH) analyses have been conducted for elastic SDOF systems having a constant damping ratio and natural periods of 0.1 s to 3.0 s. Totally 3000 RTH analyses have been performed and the maximum mass normalized earthquake input energy values for all records have been computed. Previous researchers' approaches have been compared to the results of RTH analyses and an approach which considers the pseudo-spectral velocity with Arias Intensity has been proposed. Graphs of the maximum earthquake input energy versus the maximum pseudo-spectral velocity have been obtained. The results show that there is a good agreement between the maximum input energy demands of RTH analysis and the other approaches and the maximum earthquake input energy is a relatively stable response parameter to be used for further seismic design and evaluations.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.2
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pp.89-95
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2013
Structures in a nuclear power system are designed to be elastic even under an earthquake excitation. However a structural component such as an isolator shows inelastic behavior inherently. For the seismic assessment of nonlinear structures, response history analysis should be performed. In this study, the response of base isolation system was analyzed by response history analysis for the seismic performance assessment. Firstly, several seismic assessment criteria for a nuclear power plant structure were reviewed for the nonlinear response history analysis. Based on these criteria, the spectrum matched ground motion generation method modifying a seed earthquake ground motion time history was adjusted. Using these spectrum matched accelerograms, the distribution of displacement responses of the simplified base isolation system was evaluated. The resulting seismic responses excited by the modified ground motion time histories and the synthesized time history generated by stochastic approach were compared. And the response analysis of the base isolation system considering the different intensities in each orthogonal direction was performed.
Time history analysis is usually performed to characterize the nonlinear seismic behavior of a spent fuel storage rack(SFSR). In the past, the seismic analyses of the SFSR were performed with two-dimensional planar models, which could not account for torsional response and simultaneous multi-directional seismic input In this study, three-dimensional seismic analysis methodology is developed for the single SFSR using the ANSYS code. The 3D- Model can be used to determine the nonlinear behavior of the rack, i.e., sliding, uplifting, and impact evaluation between the fuel assembly and rack, and rack and the pool wall, This paper also reviews the 3-D modeling of the SFSR and the adequacy of the ANSYS for the seismic analysis. AS a result of the adquacy study, the method of ANSYS transient analysis with acceleration time history is suitable for the seismic analysis of highly nonlinear structure such as an SFSR but it isn't appropriate to use displacement time history of seismic input.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.5
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pp.25-33
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2011
In the nonlinear response history analysis of building structures, the input ground accelerations have considerable effect on the nonlinear response characteristics of structural systems. As the properties of the ground motion, using time history analysis, are interrelated with many factors such as the fault mechanism, the seismic wave propagation from source to site, and the amplification characteristics of the soil, it is difficult to properly select the input ground motions for seismic response analysis. In this paper, the most unfavourable real seismic design ground motions were selected as input motions. The artificial earthquake waves were generated according to these earthquake events. The artificial waves have identical phase angles to the recorded earthquake waves, and their overall response spectra are compatible with the seismic design spectrum with 5% of critical viscous damping. It is concluded that the artificial earthquake waves simulated in this paper are applicable as input ground motions for a seismic response analysis of building structures.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.1
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pp.9-19
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2016
Permanent deformation plays a key role in performance based earthquake resistant design. In order to estimate permanent deformation after earthquake, it is essential to secure reliable response history analysis(RHA) as well as earthquake scenario. This study focuses on permanent deformation of an inverted T-type wall under earthquake. The study is composed of two separate parts. The first one is on the verification of RHA and the second one is on an effect of input earthquake motion. The former is discussed in companion paper and the latter in this paper. In order to investigate the effect of an input earthquake motion on the permanent deformation, three bins of spectral matched real earthquake records with different magnitude, regions, epicentral distance are constructed. Parametric study was performed using the verified RHA through the companion paper for each earthquake records in the bins. The most influential parameter affecting permanent displacement is magnitude. The other parameters describing earthquake motion are not significant enough to increase permanent displacement of the inverted T-type wall except for energy related parameters(AI, CI, SEI).
This paper presents an experimental study on a 1/2 scale steel frame with archaized-style under the pseudo-dynamic loading. Four seismic waves, including El Centro wave, Taft wave, Lanzhou wave and Wenchuan wave, were input during the test. The hysteresis characteristic, energy dissipation acceleration response, displacement response, strength, stiffness and strain were analyzed. Based on the experiment, the elastoplastic dynamic time-history analysis was carried out with the software ABAQUS. The stress distribution and failure mode were obtained. The results indicate that the steel frame with archaized-style was in elastic stage when the peak acceleration of input wave was no more than 400 gal. Under Wenchuan wave with peak acceleration of 620 gal, the steel frame enters into the elastoplastic stage, the maximum inter-story drift was 1/203 and the bearing capacity still tended to increase. During the loading process, Dou-Gong yielded first and played the role of the first seismic fortification line, and then beam ends and column bottom ends yielded in turn. The steel frame with archaized-style has good seismic performance and meets the seismic design requirement of Chinese code.
Fortney, Patrick J.;Shahrooz, Bahram M.;Rassati, Gian A.
Steel and Composite Structures
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v.7
no.4
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pp.279-301
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2007
When coupling beams are proportioned appropriately in coupled core wall (CCW) systems, the input energy from ground motions is dissipated primarily through inelastic deformations in plastic hinge regions at the ends of the coupling beams. It is desirable that the plastic hinges form at the beam ends while the base wall piers remain elastic. The strength and stiffness of the coupling beams are, therefore, crucial if the desired global behavior of the CCW system is to be achieved. This paper presents the results of nonlinear response history analysis of two 20-story CCW buildings. Both buildings have the same geometric dimensions, and the components of the buildings are designed based on the equivalent lateral force procedure. However, one building is fitted with steel coupling beams while the other is fitted with diagonally reinforced concrete coupling beams. The force-deflection relationships of both beams are based on experimental data, while the moment-curvature and axial load-moment relationships of the wall piers are analytically generated from cross-sectional fiber analyses. Using the aforementioned beam and wall properties, nonlinear response history analyses are performed. Superiority of the steel coupling beams is demonstrated through detailed evaluations of local and global responses computed for a number of recorded and artificially generated ground motions.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.6
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pp.279-291
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2013
The seismic damage of non-structural components, such as communication facilities, causes direct economic losses as well as indirect losses which result from social chaos occurring with downtime of communication and financial management network systems. The current Korean seismic code, KBC2009, prescribes the design criteria and requirements of non-structural components based on their elastic response. However, it is difficult for KBC to reflect the dynamic characteristics of structures where non-structural components exist. In this study, both linear and nonlinear time history analyses of structures with various analysis parameters were carried out and floor acceleration spectra obtained from analyses were compared with both ground acceleration spectra used for input records of the analyses and the design floor acceleration spectrum proposed by National Radio Research Agency. Also, this study investigates to find out the influence of structural dynamic characteristics on the floor acceleration spectra. The analysis results show that the acceleration amplification is observed due to the resonance phenomenon and such amplification increases with the increase of building heights and with the decrease of structure's energy dissipation capacities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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