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.
This study presents an analytical investigation on the seismic response of a medium-rise buckling-restrained braced frame (BRBF) under the near-fault ground motions. A seven-story BRBF is designed as per the current code provisions for five different combinations of brace configurations and beam-column connections. Two types of brace configurations (i.e., Chevron and Double-X) are considered along with a combination of the moment-resisting and the non-moment-resisting beam-to-column connections for the study frame. Nonlinear dynamic analyses are carried out for all study frames for an ensemble of forty SAC near-fault ground motions. The main parameters evaluated are the interstory and residual drift response, brace displacement ductility, and plastic hinge mechanisms. Fragility curves are developed using log-normal probability density functions for all study frames considering the interstory drift ratio and residual drift ratio as the damage parameters. The average interstory drift response of BRBFs with Double-X brace configurations significantly exceeded the allowable drift limit of 2%. The maximum displacement ductility characteristics of BRBs is efficiently utilized under the seismic loading if these braces are arranged in the Double-X configurations instead of Chevron configurations in BRBFs located in the near-fault regions. However, BRBFs with the Double-X brace configurations exhibit the higher interstory drift and residual drift response under near-fault ground motions due to the formation of plastic hinges in the columns and beams at the intermediate story levels.
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 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.
In this paper the effects of fling-step and forward-directivity on the seismic performance of steel eccentrically braced frames (EBFs) are addressed. Four EBFs with various numbers of stories (4-, 8-, 12- and 15-story) were designed for an area with high seismic hazard. Fourteen near-fault ground motions including seven with forward-directivity and seven with fling-step effects are selected to carry out nonlinear time history (NTH) analyses of the frames. Furthermore, seven more far-field records were selected for comparison. Findings from the study reveal that the median maximum links rotation of the frames subjected to three set of ground motions are in acceptable range and the links completely satisfy the requirement stated in FEMA 356 for LS performance level. The arrival of the velocity pulse in a near-fault record causes few significant plastic deformations, while many reversed inelastic cycles result in low-cycle fatigue damage in far-fault records. Near-fault records in some cases are more destructive and the results of these records are so dispersed, especially the records having fling-step effects.
The performance of an isolated horizontally curved continuous bridge with High Damping Rubber (HDR) Bearings has been investigated under seismic loading conditions. The effectiveness of response controls of the bridge by HDR bearings for various aspects viz. variation in ground motion characteristics, multi-directional effect, level of earthquake shaking, varying incidence angle, have been determined. Three recorded ground motions, representative of historical earthquakes along with near-field, far-field and forward directivity effects, have been considered in the study. The efficacy of the bearings with bidirectional effect considering interaction behavior of bearing and pier has also been investigated. Modeling and analysis of the bridge have been done by finite element approach. Sensitivity studies of the bridge response with respect to design parameters of the bearings for the considered ground motions have been performed. The importance of the nonlinearity of HDR bearings along with crucial design parameters has been identified. It has been observed that the HDR bearings performed well in different variations of ground motions, especially for controlling torsional moment. However, the deck displacement has been found to be increased significantly in case of Turkey ground motions, considering forward directivity effect, which needs to be paid more attention from designer point of view.
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.
In this study, nonlinear dynamic analyses were performed in order to evaluate and compare the structural response of different type of moment resisting frame buildings equipped with conventional braces (CBs) and buckling restrained braces (BRBs) subjected to near-field ground motions. For this, the case study frames, namely, ordinary moment-resisting frame (OMRF) and special moment-resisting frame (SMRF) having two equal bays of 6 m and a total height of 20 m were utilized. Then, CBs and BRBs were inserted in the bays of the existing frames. As a brace pattern, diagonal type with different configurations were used for the braced frame structures. For the earthquake excitation, artificial pulses equivalent to Northridge and Kobe earthquake records were taken into account. The results in terms of the inter-story drift index, global damage index, base shear, top shear, damage index, and plastification were discussed. The analysis of the results indicated a considerable improvement in the structural performance of the existing frames with the inclusion of conventional and especially buckling-restrained braces.
Structural design of the vertical displacements and shear strains in the earth fill (EF) dams has great importance in the structural engineering problems. Moreover, far fault earthquakes have significant seismic effects on seismic damage performance of EF dams like the near fault earthquakes. For this reason, three dimensional (3D) earthquake damage performance of Oroville dam is assessed considering different far-fault ground motions in this study. Oroville Dam was built in United States of America-California and its height is 234.7 m (770 ft.). 3D model of Oroville dam is modelled using FLAC3D software based on finite difference approach. In order to represent interaction condition between discrete surfaces, special interface elements are used between dam body and foundation. Non-reflecting seismic boundary conditions (free field and quiet) are defined to the main surfaces of the dam for the nonlinear seismic analyses. 6 different far-fault ground motions are taken into account for the full reservoir condition of Oroville dam. According to nonlinear seismic analysis results, the effects of far-fault ground motions on the nonlinear seismic settlement and shear strain behaviour of Oroville EF dam are determined and evaluated in detail. It is clearly seen that far-fault earthquakes have very significant seismic effects on the settlement-shear strain behaviour of EF dams and these earthquakes create vital important seismic damages on the swelling behaviour of dam body surface. Moreover, it is proposed that far-fault ground motions should not be ignored while modelling EF dams.
Iman Hakamian;Kianoosh Taghikhani;Navid Manouchehri;Mohammad Mahdi Memarpour
Earthquakes and Structures
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제25권2호
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pp.99-112
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2023
This paper investigates the influences of Soil-Structure Interaction (SSI) on the seismic behavior of two-dimensional reinforced concrete moment-resisting frames subjected to Far-Field Ground Motion (FFGM) and Near-Field Ground Motion (NFGM). For this purpose, the nonlinear modeling of 7, 10, and 15-story reinforced concrete moment resisting frames were developed in Open Systems for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees) software. Effects of SSI were studied by simulating Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) and the soil type as homogenous medium-dense. Generally, the building resistance to seismic loads can be explained in terms of Incremental Dynamic Analysis (IDA); therefore, IDA curves are presented in this study. For comparison, the fragility evaluation is subjected to NFGM and FFGM as proposed by Quantification of Building Seismic Performance Factors (FEMA P-695). The seismic performance of Reinforced Concrete (RC) buildings with fixed and flexible foundations was evaluated to assess the probability of collapse. The results of this paper demonstrate that SSI and NFGM have significantly influenced the probability of failure of the RC frames. In particular, the flexible-base RC buildings experience higher Spectral acceleration (Sa) compared to the fixed-base ones subjected to FFGM and NFGM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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