Seismic isolation is a viable strategy for protecting safety-related nuclear structures from the effects of moderate to severe earthquake shaking. Although seismic isolation has been deployed in nuclear structures in France and South Africa, it has not seen widespread use because of limited new build nuclear construction in the past 30 years and a lack of guidelines, codes and standards for the analysis, design and construction of isolation systems specific to nuclear structures. The funding by the United States Nuclear Regulatory Commission of a research project to the Lawrence Berkeley National Laboratory and MCEER/University at Buffalo facilitated the writing of a soon-to-be-published NUREG on seismic isolation. Funding of MCEER by the National Science Foundation led to research products that provide the technical basis for a new section in ASCE Standard 4 on the seismic isolation of safety-related nuclear facilities. The performance expectations identified in the NUREG and ASCE 4 for seismic isolation systems, and superstructures and substructures are described in the paper. Robust numerical models capable of capturing isolator behaviors under extreme loadings, which have been verified and validated following ASME protocols, and implemented in the open source code OpenSees, are introduced.
Seismic response of the liquid storage tanks isolated by the elastomeric bearings and sliding systems is investigated under near-fault earthquake motions. The fault normal and parallel components of near-fault motion are applied in two horizontal directions of the tank. The continuous liquid mass of the tank is modeled as lumped masses known as sloshing mass, impulsive mass and rigid mass. The corresponding stiffness associated with these lumped masses has been worked out depending upon the properties of the tank wall and liquid mass. It is observed that the resultant response of the isolated tank is mainly governed by fault normal component with minor contribution from the fault parallel component. Further, a parametric study is also carried out to study the effects of important system parameters on the effectiveness of seismic isolation for liquid storage tanks. The various important parameters considered are: aspect ratio of tank, the period of isolation and the damping of isolation bearings. There exists an optimum value of isolation damping for which the base shear in the tank attains the minimum value under near-fault motion. The increase of damping beyond the optimum value will reduce the bearing and sloshing displacements but increases the base shear. A comparative performance of five isolation systems for liquid storage tanks is also studied under normal component of near-fault motion and found that the EDF type isolation system may be a better choice for design of isolated tank in near-fault locations. Finally, it is also observed that the satisfactory response can be obtained by analysing the base-isolated tanks under simple cycloidal pulse instead of complete acceleration history.
This paper investigates the seismic response of a typical non-navigable continuous girder bridge isolated with friction sliding bearings of the Hong Kong-Zhuhai-Macao link projects in China. The effectiveness of the friction pendulum system (FPS) and accuracy of the numerical model were evaluated by a 1/20 scaled bridge model using shaking table tests. Based on the hysteretic properties of friction pendulum system (FPS), double concave friction pendulum (DCFP), and triple friction pendulum system (TFPS), seismic response analyses of isolated bridges with the three sliding-type bearings are systematically carried out considering soil-pile interaction under offshore soft clay conditions. The fast nonlinear analysis (FNA) method and response spectrum are employed to investigate the seismic response of isolated offshore bridge structures. The numerical results show that the implementation of the three sliding-type bearings effectively reduce the base shear and bending moment of the reinforced concrete pier, at the cost of increasing the absolute displacement of the bridge superstructure. Furthermore, the TFPS and DCFP bearings show better isolation effect than FPS bearing for the example continuous girder bridge.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.1
s.53
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pp.21-27
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2007
In this study, an approach that installs seismic isolation bearings was proposed for the seismic retrofit of the existing bridges. The method that replaces all existing bearings with seismic isolators was proposed already. However, in this study, we recommend to utilize the existing bearings for the benefit of safety and cost. According to our proposal, the seismic isolators do not support vertical loads but they Just function as the period shifter and the horizontal damper. To verify this approach experimentally, the real scale bearings and lead rubber bearings far the real highway bridges were designed and fabricated. And the responses of this isolated bridges to the assumed earthquakes were determined by the pseudo dynamic test scheme. The test results were also compared to the responses computed by the well known structural analysis software to check the reliability of the test. From the test results, we found that the retrofitted bridges using the proposed method showed stable performances under earthquakes.
Since the isolation bearings undergo large displacements in base-isolated structures, impact with adjacent structures is inevitable. Therefore, in this investigation, the effect of impact on seismic response of isolated structures mounted on double concave friction pendulum (DCFP) bearings subjected to near field ground motions is considered. A non-linear viscoelastic model of collision is used to simulate structural pounding more accurately. 2-, 4- and 8-story base-isolated buildings adjacent to fixed-base structures are modeled and the coupled differential equations of motion related to these isolated systems are solved in the MATLAB environment using the SIMULINK toolbox. The variation of seismic responses such as base shear, displacement in the isolation system and superstructure (top floor) is computed to study the impact condition. Also, the effects of variation of system parameters: isolation period, superstructure period, size of seismic gap between two structures, radius of curvature of the sliding surface and friction coefficient of isolator are contemplated in this study. It is concluded that the normalized base shear, bearing and top floor displacement increase due to impact with adjacent structure. When the distance between two structures decreases, the base shear and displacement increase comparing to no impact condition. Besides, the increase in friction coefficient difference also causes the normalized base shear and displacement in isolation system and superstructure increase in comparison with bi-linear hysteretic behavior of base isolation system. Totally, the comparison of results indicates that the changes in values of friction coefficient have more significant effects on 2-story building than 4- and 8-story buildings.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1998.04a
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pp.147-154
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1998
The purpose of this paper is to propose the draft guidelines of seismic isolation design of Liquid Metal Reactor (LMR) using high damping laminated rubber bearings. The scopes of guidelines include design requirements of a seismically isolated system and components, seismic isolator, isolation system, interface system between seismic isolation and non-seismic isolation part, qualification and acceptance tests of seismic isolator, seismic isolation reliability, and seismic safety and monitoring system. Proposed guidelines shall be revised to extend to general design guideline for nuclear facilities by further research and discussions.
Seismic isolation has been established as an effective earthquake-resistant design method and the lead rubber bearings (LRBs) are among the most commonly used seismic isolation systems. In the scientific literature, a sharp bilinear model is often used for capturing the hysteretic behaviour of the LRBs in the analysis of seismically isolated structures, although the actual behaviour of the LRBs can be more accurately represented utilizing smoothed plasticity, as captured by the Bouc-Wen model. Discrepancies between these two models are quantified in terms of the computed peak relative displacements at the isolation level, as well as the peak inter-storey deflections and the absolute top-floor accelerations, for the case of base-isolated buildings modelled as multi degree-of-freedom systems. Numerical simulations under pulse-like ground motions have been performed to assess the effect of non-linear parameters of the seismic isolation system and characteristics of both the superstructure and the earthquake excitation, on the accuracy of the computed peak structural responses. Through parametric analyses, this paper assesses potential inaccuracies of the computed peak seismic response when the sharp bilinear model is employed for modelling the LRBs instead of the more accurate and smoother Bouc-Wen model.
The first seismically isolated structure in Taiwan was completed in early 1999. Seven new bridges of the Second National Freeway located at Bai-Ho area, a region which is considered to be of high seismic risk, have been designed and constructed with lead-rubber seismic isolation bearings. Since this is the first application of seismic isolation method to the practical construction in Taiwan, field tests were conducted for one of the seven bridges to evaluate the assumptions and uncertainties in the design and construction. The test program is composed of ambient vibration tests, forced vibration tests, and free vibration tests. For the free vibration tests, a special test setup composed of four 1000 kN hydraulic jacks and a quick-release mechanism was designed to perform the function of push-and-quick release. Valuable results have been obtained based on the correlation between measured and analytical data so that the analytical model can be calibrated. Based on the analytical correlation, it is concluded that the dynamic characteristics and free vibration behavior of the isolated bridge can be well captured when the nonlinear properties of the bearings are properly considered in the modeling.
High-damping rubber bearings (HDRB) are commonly used as seismic isolation devices to protect civil engineering structures from earthquakes. However, the nonlinear hysteresis characteristics of the HDRB, such as their dependence on material properties and hardening phenomena, make predicting their behavior during earthquakes difficult. This study proposes a hysteretic model that can accurately predicts the behavior of shear deformation considering the nonlinearity when designing the seismic isolation structures using HDR bearings. To model the hysteretic characteristics of the HDR, dynamic loading tests were performed by applying sinusoidal and random waves on scaled-down specimens. The test results show that the nonlinear characteristics of the HDR strongly correlate with the shear strain experienced in the past. Furthermore, when shear deformation occurred above a certain level, the hardening phenomenon, wherein the stiffness increased rapidly, was confirmed. Based on the experimental results, the dynamic characteristics of the HDR, equivalent stiffness, equivalent damping ratio, and strain energy were quantitatively evaluated and analyzed. In this study, an improved bilinear HDR model that can reproduce the dependence on shear deformation and hardening phenomena was developed. Additionally, by proposing an objective parameter-setting procedure based on the experimental results, the model was devised such that similar parameters could be set by anyone. Further, an actual dynamic analysis could be performed by modeling with minimal parameters. The proposed model corresponded with the experimental results and successfully reproduced the mechanical characteristics evaluated from experimental results within an error margin of 10%.
Experimental work undertaken to investigate the behaviour of lead-rubber bearings under compression and a combination of compression and shear or rotation has been reported on elsewhere. However, it is difficult to determine the state of stress within the bearings in terms of the applied forces and the interaction between the lead plug and the steel shims and elastomeric layers. In order to supply some of the missing information about the stress-strain state within the bearings, an analytical study using the finite element method was carried out. The available experimental results were used to validate the model and although agreement was not as good as expected (on account of difficulties in modelling the lead plug), the analyses did provide some information about the state of the stress within the bearing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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