The dynamic response and seismic damage of single-layer reticulated shells in the near field of a rupturing fault can be different from those in the far field due to the different characteristics in the ground motions. To investigate the effect, the dynamic response and seismic damage of this spatial structures subjected to two different ground motions were numerically studied by nonlinear dynamic response analysis. Firstly, twelve seismic waves with an apparent velocity pulse, including horizontal and vertical seismic waves, were selected to represent the near-fault ground motion characteristics. In contrast, twelve seismic records recorded at the same site from other or same events where the epicenter was far away from the site were employed as the far-fault ground motions. Secondly, the parametric modeling process of Kiewitt single-layer reticulated domes using the finite-element package ANSYS was described carefully. Thirdly, a nonlinear time-history response analysis was carried out for typical domes subjected to different earthquakes, followed by analyzing the dynamic response and seismic damage of this spatial structures under two different ground motions based on the maximum nodal displacements and Park-Ang index as well as dissipated energy. The results showed that this spatial structures in the near field of a rupturing fault exhibit a larger dynamic response and seismic damage than those obtained from far-fault ground motions. In addition, the results also showed that the frequency overlap between structures and ground motions has a significant influence on the dynamic response of the single-layer reticulated shells, the duration of the ground motions has little effects.
Samimifar, Maryam;Massumi, Ali;Moghadam, Abdolreza S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.3
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pp.289-301
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2019
Hysteretic energy is defined as energy dissipated through inelastic deformations during a ground motion by the system. It includes frequency content and duration of ground motion as two remarkable parameters, while these characteristics are not seen in displacement spectrum. Since maximum displacement individually cannot be the appropriate criterion for damage assessment, hysteretic energy has been evaluated in this research as a more comprehensive seismic demand parameter. An innovative methodology has been proposed to establish a new equivalent linear model to estimate hysteretic energy spectrum for bilinear SDOF models under two different sets of earthquake excitations. Error minimization has been defined in the space of equivalent linearization concept, which resulted in equivalent damping and equivalent period as representative parameters of the linear model. Nonlinear regression analysis was carried out for predicting these equivalent parameter as a function of ductility. The results also indicate differences between seismic demand characteristics of far-field and near-field ground motions, which are not identified by most of previous equations presented for predicting seismic energy. The main advantage of the proposed model is its independency on parameters related to earthquake and response characteristics, which has led to more efficiency as well as simplicity. The capability of providing a practical energy based seismic performance evaluation is another outstanding feature of the proposed model.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.417-422
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2004
It is the challenging task to predict seismic demand for structural design. In current seismic design provisions such as UBC, NEHRP, ATC 3-06, the seismic demand is calculated using the response spectrum with response modification factor (R). This paper investigates variability of seismic demand according to selecting the earthquake ground motion groups. Different Earthquake sets used by Miranda, Riddell and Seed selected were used in this study. Earthquake sets selected by authors include 62 sets of near field ground motion and 19 sets one pulse ground motion. Linear Elastic Response Spectrum (LERS), the variation of performance points of calculated by Capacity Spectrum Method (CSM) were considered with respect to the different sets of earthquake ground motions.
Liang Gao;Dewen Liu;Yuan Zhang;Yanping Zheng;Jingran Xu;Zhiang Li;Min Lei
Earthquakes and Structures
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v.26
no.1
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pp.17-30
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2024
Earthquakes can lead to substantial damage to buildings, with long-period ground motion being particularly destructive. The design of high-performance building structures has become a prominent focus of research. The double-story isolated structure is a novel type of isolated structure developed from base isolated structure. To delve deeper into the building performance of double-story isolated structures, the double-story isolated structure was constructed with the upper isolated layer located in different layers, alongside a base isolated structure for comparative analysis. Nonlinear elastoplastic analyses were conducted on these structures using different ground motion inputs, including ordinary ground motion, near-field impulsive ground motion, and far-field harmonic ground motion. The results demonstrate that the double-story isolated structure can extend the structural period further than the base isolated structure under three types of ground motions. The double-story isolated structure exhibits lower base shear, inter-story displacement, base isolated layer displacement, story shear, and maximum acceleration of the top layer, compared to the base isolated structure. In addition, the double-story isolated structure generates fewer plastic hinges in the frame, causes less damage to the core tube, and experiences smaller overturning moments, demonstrating excellent resistance to overturning and a shock-absorbing effect. As the upper isolated layer is positioned higher, the compressive stress on the isolated bearings of the upper isolated layer in the double-story isolated structure gradually decreases. Moreover, the compressive stress on the isolated bearings of the base isolated layer is lower compared to that of the base isolated structure. However, the shock-absorbing capacity of the double-story isolated structure is significantly increased when the upper isolated layer is located in the middle and lower section. Notably, in regions exposed to long-period ground motion, a double-story isolated structure can experience greater seismic response and reduced shock-absorbing capacity, which may be detrimental to the structure.
Ground motions recorded in near-fault sites, where the rupture propagates toward the site, are significantly different from those observed in far-fault regions. In this research, finite element modeling is used to investigate the effect of pile cap stiffness on the seismic response of soil-pile-structure systems under near-fault ground motions. The Von Wolffersdorff hypoplastic model with the intergranular strain concept is applied for modeling of granular soil (sand) and the behavior of structure is considered to be non-linear. Eight fault-normal near-field ground motion records, recorded on rock, are applied to the model. The numerical method developed is verified by comparing the results with an experimental test (shaking table test) for a soil-pile-structure system. The results, obtained from finite element modeling under near-fault ground motions, show that when the value of cap stiffness increases, the drift ratio of the structure decreases, whereas the pile relative displacement increases. Also, the residual deformations in the piles are due to the non-linear behavior of soil around the piles.
This paper presents a numerical investigation on the seismic behavior of isolated bridges with supplemental viscous damping. Usually very large displacements make seismic isolation an unfeasible solution due to boundary conditions, especially in case of existing bridges or high risk seismic regions. First, a suggested optimal design procedure is introduced, then seismic performance of three real bridges with different isolation systems and damping levels is investigated. Each bridge is studied in four different configurations: simply supported (SSB), isolated with 10% damping (IB), isolated with 30% damping (LRB) and isolated with optimal supplemental damping ratio (IDB). Two of the case studies are investigated under spectrum compatible far-field ground motions, while the third one is subjected to near-fault strong motions. With respect to different design strategies proposed by other authors, results of the analysis demonstrated that an isolated bridge equipped with HDLRBs and a total equivalent damping ratio of 70% represents a very effective design solution. Thanks to confirmed effective performance in terms of base shear mitigation and displacement reduction under both far field and near fault ground motions, as well as for both simply supported and continuous bridges, the suggested control system provides robustness and reliability in terms of seismic performance also resulting cost effective.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.117-124
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2002
The major purpose of this study is to determine the dynamic behavior of soil-pile-structure interaction system considering the underground cavity. For the analysis, a numerical method fur 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. For the verification of dynamic analysis in the frequency domain, both forced vibration analysis and free-field response analysis are performed. The behavior of soil non-linearity is considered using the equivalent linear approximation method. As a result, it is shown that the developed method can be an efficient numerical method to solve the seismic response analysis considering the underground cavity in 2D problem.
Damages to buildings affected by a near-fault strong ground motion are largely attributed to the vertical component of the earthquake resulting in column failures, which could lead to disproportionate building catastrophic collapse in a progressive fashion. Recently, considerable interests are awakening to study effects of earthquake vertical components on structural responses. In this study, detailed modeling and time-history analyses of a 12-story code-conforming reinforced concrete moment frame building carrying the gravity loads, and exposed to once only the horizontal component of, and second time simultaneously the horizontal and vertical components of an ensemble of far-field and near-field earthquakes are conducted. Structural responses inclusive of tension, compression and its fluctuations in columns, the ratio of shear demand to capacity in columns and peak mid-span moment demand in beams are compared with and without the presence of the vertical component of earthquake records. The influences of the existence of earthquake vertical component in both exterior and interior spans are separately studied. Thereafter, the correlation between the increase of demands induced by the vertical component of the earthquake and the ratio of a set of earthquake record characteristic parameters is investigated. It is shown that uplift initiation and the magnitude of tensile forces developed in corner columns are relatively more critical. Presence of vertical component of earthquake leads to a drop in minimum compressive force and initiation of tension in columns. The magnitude of this reduction in the most critical case is recorded on average 84% under near-fault ground motions. Besides, the presence of earthquake vertical components increases the shear capacity required in columns, which is at most 31%. In the best case, a direct correlation of 95% between the increase of the maximum compressive force and the ratio of vertical to horizontal 'effective peak acceleration (EPA)' is observed.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.09a
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pp.82-89
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2003
Near-field ground motions exhibit special characteristics that are different from ordinary far-field ground motions. In this study the shaking table tests were conducted to evaluate the effect of earthquake ground motions with different characteristics on the response of the structure. The ground motions used in this study were the scenario earthquake, design earthquake, and Chi-Chi earthquake measured in TCU052 station. These earthquakes have different frequency contents. The test results show that the frequency content of ground motion is very important to the response of structures. The floor responses of structure were greatly affected by the higher modal frequencies, as well as the fundamental frequency. The responses of third floor were significantly reduced due to the interaction between the structure and the base isolated mass installed at the third floor.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.4
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pp.1-11
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2007
This paper verifies the difference of the seismic behavior and seismic damage of the neighboring two reinforced concrete piers damaged by the 1995 Hyogoken Nanbu earthquake. The two piers were almost the same size, carrying slightly different dead load, and were provided with the same reinforcement arrangement except the amount of longitudinal reinforcement at the bottom portion of the piers. The pier with more reinforcement was completely collapsed due to this near field earthquake by shear failure at the longitudinal reinforcement cut-off while the other was only damaged at the bottom by flexure even though the longitudinal reinforcement cut-off was also existed at the mid height of the pier. According to the results of the pseudo dynamic test, the seismic damage was recognized to be greatly dependent on the ground motion characteristics even though the employed ground motions had the same peak acceleration. The severe damage was observed when the test employed the seismic wave that had strong influence to the longer period range compared to the initial natural period of the pier. On the other hand, based on the similar model experiment, the defect of gas-pressure welded splice of longitudinal reinforcement was revealed to save the piers against collapse due to the so-called fail-safe mechanism contrary to the intuitive opinion of some researchers. It was concluded that the primary cause of the collapse of the pier was the extremely strong intensity and peculiar characteristics of the earthquake motion according to both the site-specific and the structure-specific effects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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