The seismic performance of the tall building equipped with a tuned mass damper (TMD) considering soil-structure interaction (SSI) effects is well studied in the literature. However, these studies are performed on the nominal model of the seismic-excited structural system with SSI. Hence, the outcomes of the studies may not valid for the actual structural system. To address the study gap, the reliability theory as a useful and powerful method is utilized in the paper. The present study aims to carry out reliability analyses on tall buildings equipped with TMD under near-field pulse-like (NFPL) ground motions considering SSI effects using a subset simulation (SS) method. In the presence of uncertainties of the structural model, TMD device, foundation, soil, and near-field pulse-like ground motions, the numerical studies are performed on a benchmark 40-story building and the failure probabilities of the structures with and without TMD are evaluated. Three types of soils (dense, medium, and soft soils), different earthquake magnitudes (Mw = 7,0. 7,25. 7,5 ), different nearest fault distances (r = 5. 10 and 15 km), and three seismic performance levels of immediate occupancy (IO), life safety (LS), and collapse prevention (CP) are considered in this study. The results show that tall buildings built near faults and on soft soils are more affected by uncertainties of the structural and ground motion models. Hence, ignoring these uncertainties may result in an inaccurate estimation of the maximum seismic responses. Also, it is found the TMD is not able to reduce the failure probabilities of the structure in the IO seismic performance level, especially for high earthquake magnitudes and structures built near the fault. However, TMD is significantly effective in the reduction of failure probability for the LS and CP performance levels. For weak earthquakes and long fault distances, the failure probabilities of both structures with and without TMD are near zero, and the efficiency of the TMD in the reduction of failure probabilities is reduced by increasing earthquake magnitudes and the reduction of fault distance. As soil softness increases, the failure probability of structures both with and without TMD often increases, especially for severe near-fault earthquake motion.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.83-90
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2001
The site effects of local geological conditions on seismic ground motion are performed using 2D numerical method. For the analysis, a numerical method far ground response analysis using FE-BE coupling method is developed. The total system is divided into two parts so called far field and near field. The far field is modeled by boundary element formulation using the multi-layered dynamic fundamental solution that satisfied radiational condition of wave. And this is coupled with near field modeled by finite elements. In order to verify the seismic response analysis, the results are compared with those of commercial code. As a result, it is shown that the developed method can be an efficient numerical method to solve the seismic response analysis of the site effect in 2D problem.
Yeeun Kim;Sina Kong;Sinith Kung;Jiho Moon;Jong-Keol Song
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.2
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pp.119-131
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2024
Pulse-like ground motion can cause greater damage to structures than nonpulse-like ground motion. Currently, much research is being conducted to determine the presence or absence of velocity pulses and to quantify them from seismic-acceleration records. Existing ground motion is divided into far-field (FF) and near-fault ground motion, based on the distance of the measurement point from the fault. Near-fault ground motion is further classified into near-fault pulse-like (NFP) and near-fault nonpulse-like (NFNP) ground motion by quantifying the presence or absence of velocity pulses. For each ground motion group, 40 FF, 40 NFP, and 40 NFNP ground motions are selected; thus, 120 ground motions are used in the seismic analysis to assess the seismic fragility of sample bridges. Probabilistic seismic demand models (PSDMs) are created by evaluating the seismic responses of two types of sample bridges with lead-rubber and elastomeric rubber bearings using three groups of ground motions. Seismic fragility analysis is performed using the PSDM, and from these results, the effect of the presence or absence of seismic velocity pulses on the seismic fragility is evaluated. From the comparison results of the seismic fragility curve, the seismic fragility of NFP ground motion appears to be approximately three to five times greater than that of NFNP ground motion, according to the presence or absence of a velocity pulse of seismic waves. This means that the damage to the bridge is greater in the case of NFP ground motion than that in the case of NFNP ground motion.
Suspension bridges have the extended in plan configuration which makes them prone to dynamic events like earthquake. The longer span lead to more flexibility and slender of them. So, control systems seem to be essential in order to protect them against ground motion excitation. Tuned mass damper or in brief TMD is a passive control system that its efficiency is practically proven. Moreover, its parameters i.e. mass ratio, tuning frequency and damping ratio can be optimized in a manner providing the best performance. Meta-heuristic optimization algorithm is a powerful tool to gain this aim. In this study, TMD parameters are optimized in different-length suspension bridges in three distinct cases including 3, 4 and 5 TMDs by observer-teacher-learner based algorithm under a complete set of ground motions formed from both near-field and far-field instances. The Vincent Thomas, Tacoma Narrows and Golden Gate suspension bridges are selected for case studies as short, mean and long span ones, respectively. The results indicate that All cases of used TMDs result in response reduction and case 4TMD can be more suitable for bridges in near and far-field conditions.
Rational scaling of design earthquake ground motions for tall buildings is essential for safer, risk-based design of tall buildings. This paper provides the structural designers with an insight for more rational scaling based on drift and input energy demands. Since a resonant sinusoidal motion can be an approximate critical excitation to elastic and inelastic structures under the constraint of acceleration or velocity power, a resonant sinusoidal motion with variable period and duration is used as an input wave of the near-field and far-field ground motions. This enables one to understand clearly the relation of the intensity normalization index of ground motion (maximum acceleration, maximum velocity, acceleration power, velocity power) with the response performance (peak interstory drift, total input energy). It is proved that, when the maximum ground velocity is adopted as the normalization index, the maximum interstory drift exhibits a stable property irrespective of the number of stories. It is further shown that, when the velocity power is adopted as the normalization index, the total input energy exhibits a stable property irrespective of the number of stories. It is finally concluded that the former property on peak drift can hold for the practical design response spectrum-compatible ground motions.
The specific characteristics of near-field earthquake records can lead to different dynamic responses of bridges compared to far-field records. However, the effect of near-field strong ground motion has often been neglected in the seismic performance assessment of the bridges. Furthermore, damage to horizontally curved multi-frame RC box-girder bridges in the past earthquakes has intensified the potential of seismic vulnerability of these structures due to their distinctive dynamic behavior. Based on the nonlinear time history analyses in OpenSEES, this article, assesses the effects of near-field versus far-field earthquakes on the seismic performance of horizontally curved multi-frame RC box-girder bridges by accounting the vertical component of the earthquake records. Analytical seismic fragility curves have been derived thru considering uncertainties in the earthquake records, material and geometric properties of bridges. The findings indicate that near-field effects reasonably increase the seismic vulnerability in this bridge sub-class. The results pave the way for future regional risk assessments regarding the importance of either including or excluding near-field effects on the seismic performance of horizontally curved bridges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.3
s.49
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pp.101-111
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2006
This paper proposes a method for modeling new fault ground motion due to moderate size earthquakes in Stable Continental Regions (SCRs) for the first time. The near fault ground motion is characterized by a single long period velocity pulse of large amplitude. In order to model the velocity pulse, its period and peak amplitude need be determined in terms of earthquake magnitude and distance from the causative fault. Because there have been observed very few new fault ground motions, it is difficult to derive the model directly from the recorded data in SCRs. Instead an indirect approach is adopted in this work. The two parameters, the period and peak amplitude of the velocity pulse, are known to be functions of the rise time and the slip velocity. For Western United States (WUS) that belongs active tectonic regions, there art empirical formulas for these functions. The relations of rise time and slip velocity on the magnitude in SCRs are derived by comparing related data between Western United States and Central-Eastern United States that belongs to SCRs. From these relations, the functions of these pulse parameters for NFGM in SCRs can be expressed in terms of earthquake magnitude and distance. A time history of near fault ground motion of moderate magnitude earthquake in stable continental regions is synthesized by superposing the velocity pulse on the for field ground motion that is generated by stochastic method. As an demonstrative application, the response of a single degree of freedom elasto-plastic system is studied.
Available records of recent earthquakes show that near-field earthquakes have different characteristics than far-field earthquakes. In general, most of these unique characteristics of near-fault records can be attributed to their forward directivity. This phenomenon causes the records of ground motion normal to the fault to entail pulses with long periods in the velocity time history. The energy of the earthquake is almost accumulated in these pulses causing large displacements and, accordingly, severe damages in the building. Damage to structures caused by past earthquakes raises the need to assess the chance of future earthquake damage. There are a variety of methods to evaluate building seismic vulnerabilities with different computational cost and accuracy. In the meantime, fragility curves, which defines the possibility of structural damage as a function of ground motion characteristics and design parameters, are more common. These curves express the percentage of probability that the structural response will exceed the allowable performance limit at different seismic intensities. This study aims to obtain the fragility curve for low- and mid-rise structures of reinforced concrete moment frames by incremental dynamic analysis (IDA). These frames were exposed to an ensemble of 18 ground motions (nine records near-faults and nine records far-faults). Finally, after the analysis, their fragility curves are obtained using the limit states provided by HAZUS-MH 2.1. The result shows the near-fault earthquakes can drastically influence the fragility curves of the 6-story building while it has a minimal impact on those of the 3-story building.
Variable Curvature Friction Pendulum (VCFP) bearing is one of the alternatives to control excessive induced responses of isolated structures subjected to near-fault ground motions. The curvature of sliding surface in this isolator is varying with displacement and its function is non-spherical. Selecting the most appropriate function for the sliding surface depends on the design objectives and ground motion characteristics. To date, few polynomial functions have been experimentally tested for VCFP however it needs comprehensive parametric study to find out which one provides the most effective behavior. Herein, seismic performance of the isolated structure mounted on VCFP is investigated with two different polynomial functions of the sliding surface (Order 4 and 6). By variation of the constants in these functions through changing design parameters, 120 cases of isolators are evaluated and the most proper function is explored to minimize floor acceleration and/or isolator displacement under different hazard levels. Beside representing the desire sliding surface with adaptive behavior, it was shown that the polynomial function with order 6 has least possible floor acceleration under seven near-field ground motions in different levels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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