Md. Ghousul Ansari;Sekhar C. Dutta;Aakash S. Dwivedi;Ishan Jha
Earthquakes and Structures
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v.27
no.3
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pp.227-237
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2024
The incidence angle of seismic excitation relative to the two orthogonal major axes of structures has been a subject of considerable research interest. Previous studies have primarily focused on single-storey symmetric and asymmetric structures, suggesting a minimal effect of incidence angle on structural behavior. This research extends the investigation to multi-storey structures, including vertically irregular configurations, using a comprehensive set of 20 near fault and 20 far field seismic excitation. The study employs nonlinear time-history analysis with a bidirectional hysteresis model to capture inelastic deformations accurately. Various structural models, including one-storey and two- storey regular structures (R1, R2) and vertically irregular structures with setbacks in one direction (IR1) and both directions (IR2), are analysed. The analysis reveals that the incidence angle has no discernible impact over the response of regular multi-storey structures. However, vertically irregular structures exhibit notable responses at corner columns, which decrease towards central columns, irrespective of the incidence angle. This response is attributed to the inherent mass distribution and stiffness irregularities rather than the angle of seismic excitation. The findings indicate that for both near fault and far field seismic excitation, the incidence angle's impact remains marginal even for complex structural configurations. Consequently, the study suggests that the angle of incidence of seismic excitation need not be a primary consideration in the seismic design of both regular and vertically irregular structures. These conclusions are robust across various structural models and seismic excitation characteristics, providing a comprehensive understanding the impact of incidence angle on seismic response.
Park, Seong-Jae;Chun, Nakhyun;Hwang, Kyeong-Min;Moon, Jiho;Song, Jong-Keol
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.3
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pp.159-169
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2020
Acceleration amplification factors, which are variables used in the seismic design of power facilities installed inside substation structures, are presented in the seismic design standards of the United States (US), Japan, and Korea. Unlike the coefficients presented in the design standards of the US and Japan, those presented in domestic design standards can be obtained only by performing dynamic analysis when the substation structure has more than four floors. Because most substation structures in Korea have 4-5 stories, the existing acceleration amplification factor is insufficient to be applied to actual substation structures. To suggest an acceleration amplification factor suitable for domestic substation structure types, the acceleration amplification factor was evaluated for seven representative substation structures. The acceleration amplification factors were evaluated by constructing in-structure response spectra based on a study of far-field and near-fault earthquakes. In general, the acceleration amplification coefficients αJ and αA according to the US and Japan seismic design criteria tend to be overestimated compared with the acceleration amplification factors obtained through dynamic analysis based on the study of near-fault and far-field earthquakes.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.5
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pp.319-329
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2020
Among the bridges used in Korea, those that are more than 30 years old account for approximately 11% of the total bridges. Therefore, developing a seismic performance-evaluation method is necessary by considering the bridge age. Three composite steel-concrete box girder bridges with port, elastic-rubber, and lead-rubber bearings were selected, and a structural analysis model was developed using the OpenSEESs program. In this study, pier aging was reflected by the reduction in the area of the longitudinal and transverse rebars. Four conditions of 5%, 10%, 25%, and 50% in the degree of pier aging were used. As input earthquakes, 40 near-fault and far-field earthquakes were used, and the maximum displacement and maximum shear-force responses of the piers were obtained and compared. The result shows that as the aging degree increases, the pier strength decreases. Therefore, the pier displacement response increases. To analyze the effects of displacement response and shear resistance, displacement ratio Dratio and shear-force ratio Fratio were evaluated. The older the sample bridge is, the greater is the tendency of Dratio to increase and the smaller is the tendency of Fratio to decrease.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.23
no.6
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pp.311-319
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2019
The number of aged bridges is increasing so that bridges over 30 years old account for about 11% of all bridges. Consequently, the development of a seismic performance evaluation method that considers the effects of ageing is essential for a seismic retrofitting process for improvement of the seismic safety of existing old bridges. Assessment of the damage situation of bridges after the recent earthquakes in Korea has been limited to the bearings, anchor, and concrete mortar on piers. The purpose of this study is to evaluate the seismic responses of PSC box girder bridges by considering the ageing effect of rubber bearings (RBs) and lead-rubber bearings (LRBs). The modification factor proposed by AASHTO is used to take into account the ageing effect in the bearings. PSC box girder bridges with RBs and LRBs were 3D modeled and analyzed with the OpenSEES program. In order to evaluate the ageing effect of RBs and LRBs, 40 near fault and 40 far field records were used as the input earthquakes. When considering the effect of ageing, the displacement responses and shear forces of bridge bearings (RBs and LRBs) were found to increase mostly under the analytical conditions. It was shown that the effect of ageing is greater in the case of RBs than in the case of LRBs.
Evaluation on the sidesway seismic collapse capacity of the widely used low- and medium-height structures is meaningful. These structures with such type of collapse are recognized that behave as inelastic deteriorating single-degree-of-freedom (SDOF) systems. To incorporate the deteriorating effects, the hysteretic loop of the nonlinear SDOF structural model is represented by a tri-linear force-displacement relationship. The concept of collapse capacity spectra are adopted, where the incremental dynamic analysis is performed to check the collapse point and a normalized ground motion intensity measure corresponding to the collapse point is used to define the collapse capacity. With a large amount of earthquake ground motions, a systematic parameter study, i.e., the influences of various ground motion parameters (site condition, magnitude, distance to rupture, and near-fault effect) as well as various structural parameters (damping, ductility, degrading stiffness, pinching behavior, accumulated damage, unloading stiffness, and P-delta effect) on the structural collapse capacity has been performed. The analytical formulas for the collapse capacity spectra considering above influences have been presented so as to quickly predict the structural collapse capacities.
Chen, Genda;Garrett, Gabriel T.;Chen, Chaoqiang;Cheng, Franklin Y.
Structural Engineering and Mechanics
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v.17
no.3_4
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pp.539-556
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2004
In this paper, the design, fabrication and characterization of a piezoelectric friction damper are presented. It was sized with the proposed practical procedure to minimize the story drift and floor acceleration of an existing 1/4-scale, three-story frame structure under both near-fault and far-field earthquakes. The design operation friction force in kip was numerically determined to range from 2.2 to 3.3 times the value of the peak ground acceleration in g (gravitational acceleration). Experimental results indicated that the load-displacement loop of the damper is nearly rectangular in shape and independent of the excitation frequency. The coefficient of friction of the damper is approximately 0.85 when the clamping force on the damper is above 400 lbs. It was found that the friction force variation of the damper generated by piezoelectric actuators with 1000 Volts is approximately 90% of the expected value. The properties of the damper are insensitive to its ambient temperature and remain almost the same after being tested for more than 12,000 cycles.
Vertical earthquake ground motion may magnify vertical dynamic responses of structures, and thus cause serious damage to bridges. As main support structures, piers and bearings play an important role in vertical seismic response analysis of girder bridges. In this study, the pier and bearing are simplified as a vertical series spring system without mass. Then, based on the assumption of small displacement, the equation of motion governing the simply-supported straight girder bridge under vertical ground motion is established including effects of vertical deformation of support structures. Considering boundary conditions, the differential quadrature method (DQM) is applied to discretize the above equation of motion into a MDOF (multi-degree-of-freedom) system. Then seismic responses of this MDOF system are calculated by a step-by-step integration method. Effects of support structures on vertical dynamic responses of girder bridges are studied under different vertical strong earthquake motions. Results indicate that support structures may remarkably increase or decrease vertical seismic responses of girder bridges. So it is of great importance to consider effects of support structures in structural seismic design of girder bridges in near-fault region. Finally, optimization of support structures to resist vertical strong earthquake motions is discussed.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.3
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pp.11-26
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2011
The inelastic displacement ratio is defined as the ratio of the peak inelastic displacement to the peak linear elastic displacement. The inelastic displacement ratio allows simple evaluation of the peak inelastic displacement directly from the peak elastic displacement without computation of the inelastic response. Existing research of the inelastic displacement ratio is limited to piece-wise linear systems such as bilinear or stiffness degrading systems. In this paper, the inelastic displacement ratio is investigated for smooth hysteretic behavior systems subjected to near- and far-fault earthquakes. A simple formula of the inelastic displacement ratio is proposed by using a two step procedure of regression analysis.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.9
no.3
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pp.345-367
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2015
Past earthquakes have signaled the increased collapse vulnerability of mainshock-damaged bridge piers and urgent need of repair interventions prior to subsequent cascading hazard events, such as aftershocks, triggered by the mainshock (MS). The overarching goal of this study is to quantify the collapse vulnerability of mainshock-damaged substandard RC bridge piers rehabilitated with different repair jackets (FRP, conventional thick steel and hybrid jacket) under aftershock (AS) attacks of various intensities. The efficacy of repair jackets on post-MS resilience of repaired bridges is quantified for a prototype two-span single-column bridge bent with lap-splice deficiency at column-footing interface. Extensive number of incremental dynamic time history analyses on numerical finite element bridge models with deteriorating properties under back-to-back MS-AS sequences were utilized to evaluate the efficacy of different repair jackets on the post-repair behavior of RC bridges subjected to AS attacks. Results indicate the dramatic impact of repair jacket application on post-MS resilience of damaged bridge piers-up to 45.5 % increase of structural collapse capacity-subjected to aftershocks of multiple intensities. Besides, the efficacy of repair jackets is found to be proportionate to the intensity of AS attacks. Moreover, the steel jacket exhibited to be the most vulnerable repair intervention compared to CFRP, irrespective of the seismic sequence (severe MS-severe or moderate AS) or earthquake type (near-fault or far-fault).
Rojas-Mercedes, Norberto;Erazo, Kalil;Di Sarno, Luigi
Earthquakes and Structures
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v.22
no.5
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pp.503-515
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2022
This paper presents the development of seismic fragility curves for a precast reinforced concrete bridge instrumented with a structural health monitoring (SHM) system. The bridge is located near an active seismic fault in the Dominican Republic (DR) and provides the only access to several local communities in the aftermath of a potential damaging earthquake; moreover, the sample bridge was designed with outdated building codes and uses structural detailing not adequate for structures in seismic regions. The bridge was instrumented with an SHM system to extract information about its state of structural integrity and estimate its seismic performance. The data obtained from the SHM system is integrated with structural models to develop a set of fragility curves to be used as a quantitative measure of the expected damage; the fragility curves provide an estimate of the probability that the structure will exceed different damage limit states as a function of an earthquake intensity measure. To obtain the fragility curves a digital twin of the bridge is developed combining a computational finite element model and the information extracted from the SHM system. The digital twin is used as a response prediction tool that minimizes modeling uncertainty, significantly improving the predicting capability of the model and the accuracy of the fragility curves. The digital twin was used to perform a nonlinear incremental dynamic analysis (IDA) with selected ground motions that are consistent with the seismic fault and site characteristics. The fragility curves show that for the maximum expected acceleration (with a 2% probability of exceedance in 50 years) the structure has a 62% probability of undergoing extensive damage. This is the first study presenting fragility curves for civil infrastructure in the DR and the proposed methodology can be extended to other structures to support disaster mitigation and post-disaster decision-making strategies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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