Existing methods to estimate the probability of seismic pounding occurrence of adjacent buildings do not account for nonlinear behavior or only apply to simple lumped mass systems. The present study proposes an efficient method based on subset simulation for fragility and risk assessment of seismic pounding occurrence between nonlinear adjacent buildings neglecting pounding effects with application to finite element models. The proposed method is first applied to adjacent buildings modeled as elastoplastic systems with substantially different dynamic properties for different structural parameters. Seismic pounding fragility and risk of adjacent frame structures with different floor levels is then assessed, paying special attention to modeling the non-linear material behavior in finite element models. Difference in natural periods and impact location are identified to affect the pounding fragility simultaneously. The reliability levels of the minimum code-specified separation distances are also determined. In addition, the incremental dynamic analysis method is extended to assess seismic pounding fragility of the adjacent frame structures, resulting in higher fragility estimates for separation distances larger than the minimum code-specified ones in comparison with the proposed method.
Atefeh Soleymani;Denise-Penelope N. Kontoni;Hashem Jahangir
Earthquakes and Structures
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제26권4호
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pp.285-297
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2024
Due to the imbalanced vibration of the adjacent buildings, the pounding phenomenon occurs as a result of an insufficient gap between them. Providing enough gap between adjacent structures is the most efficient approach to preventing the pounding effect. This paper calculated the required separation gaps between adjacent buildings, including two, four, eight, twelve and twenty stories steel moment-resisting frames, and investigated their related influencing parameters such as time periods, damping ratios, and the number of bays. The linear and nonlinear dynamic time-history analyses under real seismic event records were conducted to calculate the required separation gaps by obtaining relative displacement and velocity functions of two adjacent frames. The results showed that the required separation gap increased when the time periods of adjacent frames were not the same. The resulting separation gaps values of linear and nonlinear analyses were similar only for two and four stories frames. In other frames, the resulting separation gap values of linear analyses surpassed the corresponding nonlinear analyses. Although increasing the damping ratios in adjacent frames causes a decrease in the required separation gaps, the number of bays had no significant effect on them.
Seismic pounding between adjacent buildings with inadequate separation and different dynamic characteristics can cause severe damage to the colliding buildings. Efficient estimation of the maximum pounding force is required to control the extent of damage in adjacent structures or develop an appropriate mitigation method. In this paper, an analytical approach on the basis of statistical relations is presented for approximate computation of extreme value of pounding force between two adjacent structures with equal or unequal heights subjected to stationary and non-stationary excitations. The nonlinearity of adjacent structures is considered using Bouc-Wen model of hysteresis and the pounding effect is simulated by applying the nonlinear viscoelastic model. It is shown that the proposed approach can significantly save computational costs by obviating the need for performing dynamic analysis. To assess the reliability and accuracy of the proposed approach, the results are compared with those obtained from nonlinear dynamic analysis.
Regarding the importance of seismic pounding, the available standards and guidelines specify minimum separation distance between adjacent buildings. However, the rules in this field are generally based on some simple assumptions, and the level of confidence is uncertain. This is attributed to the fact that the relative response of adjacent structures is strongly dependent on the frequency content of the applied records and the Eigen frequencies of the adjacent structures as well. Therefore, this research aims at investigating the separation distance of the buildings through a probabilistic-based algorithm. In order to empower the algorithm, the record-to-record uncertainties, are considered by probabilistic approaches; besides, a wide extent of material nonlinear behaviors can be introduced into the structural model by the implementation of the hysteresis Bouc-Wen model. The algorithm is then simplified by the application of the linearization concept and using the response acceleration spectrum. By implementing the proposed algorithm, the separation distance in a specific probability level can be evaluated without the essential need of performing time-consuming dynamic analyses. Accuracy of the proposed method is evaluated using nonlinear dynamic analyses of adjacent structures.
Sharifi, Behroozeh;Nouri, Gholamreza;Ghanbari, Ali
Earthquakes and Structures
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제18권6호
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pp.667-675
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2020
The current study compares the effect of structure-soil-structure interaction (SSSI) on the dynamic responses of adjacent buildings and isolated structures including soil-structure interaction (SSI) with the responses of fixed-base structures. Structural responses such as the relative acceleration, displacement, drift and shear force were considered under earthquake ground motion excitation. For this purpose, 5-, 10- and 15-story structures with 2-bay moment resisting frames resting on shallow foundations were modeled as a group of buildings in soft soil media. Viscous lateral boundaries and interface elements were applied to the soil model to simulate semi-infinite soil media, frictional contact and probable slip under seismic excitation. The direct method was employed for fully nonlinear time-history dynamic analysis in OpenSees using 3D finite element soil-structure models with different building positions. The results showed that the responses of the grouped structures were strongly influenced by the adjacent structures. The responses were as much as 4 times greater for drift and 2.3 times greater for shear force than the responses of fixed-base models.
Using fluid dampers to connect adjacent buildings for enhancing their seismic resistant performance has been recently investigated but limited to linear elastic adjacent buildings only. This paper presents a study of inelastic seismic response of adjacent buildings linked by fluid dampers. A nonlinear finite element planar model using plastic beam element is first constructed to simulate two steel frames connected by fluid dampers. Computed linear elastic seismic responses of the two steel frames with and without fluid dampers under moderate seismic events are then compared with the experimental results obtained from shaking table tests. Finally, elastic-plastic seismic responses of the two steel frames with and without fluid dampers are extensively computed, and the fluid damper performance on controlling inelastic seismic response of the two steel frames is assessed. The effects of the fundamental frequency ratio and structural damping ratio of the two steel frames on the damper performance are also examined. The results show that not only in linear elastic stage but also in inelastic stage, the seismic resistant performance of the two steel frames of different fundamental frequencies can be significantly enhanced if they are properly linked by fluid dampers of appropriate parameters.
인접 구조물의 지진응답 제어를 위한 비선형 감쇠시스템의 최적 설계 방법에 관하여 연구하였다. 최적 설계를 위한 목적 함수로는 구조물의 응답과 감쇠기의 총 사용량을 고려하였으며, 상충하는 두 목적함수를 합리적인 수준에서 동시에 최소화하는 해를 구하기 위하여 유전자 알고리즘에 기반한 다목적 최적화 방법을 도입하였다. 또한, 최적화 과정에서 요구되는 비선형 시간이력해석을 수행하지 않고도, 비선형 이력감쇠기로 연결된 구조물의 지진응답을 효율적으로 평가하기 위하여 추계학적 선형화 방법을 접목하였다. 제시하는 방법의 효율성을 검증하기 위한 수치 예로서 20층과 10층의 인접 빌딩을 고려하였으며, 두 빌딩을 연결하는 비선형 감쇠시스템으로는 입력전압의 크기에 따라 변화하는 감쇠성능을 보이는 MR 감쇠기를 도입하였다. 제시하는 방법을 통하여 MR 감쇠기의 각 층별 최적 개수 및 감쇠용량을 결정할 수 있었으며, 이는 일반적인 균등분포 시스템에 비해 유사한 제어성능을 보이면서도 훨씬 경제적이었다. 또한, 인접구조물간 충돌에 대하여도 확률적으로 안정적인 거동을 보임을 검증하였으며, 제시하는 방법이 준능동 제어시스템의 최적 배치를 결정하기 위한 설계문제에도 적용할 수 있음을 보였다.
The gap provided between adjacent structures in the metropolitan cities is mostly narrow due to architectural and financial issues. Consequently, structural pounding occurs between adjacent structures during earthquakes. It causes damages, ranging from minor local to more severe ones, especially in the case of seismically isolated buildings, due to their higher displacements. However, due to the increased flexibility of isolated buildings, the problem could become more detrimental to such structures. The effect of the seismic pounding of moat walls on the response of buildings isolated by Triple Friction Pendulum Bearing (TFPB) is investigated in this paper. To this propose, two symmetric three-dimensional models, including single-story and five-story buildings, are modeled in Opensees. Nonlinear Time History Analyses (NTHA) are performed for seismic evaluation. Also, five different sizes with four different sets of friction coefficients are considered for base isolators to cover a whole range of base isolation systems with various geometry configurations and fundamental period. The results are investigated in terms of base shear, buildings' drift, and roof acceleration. Results indicated a profound effect of poundings against moat walls. In situations of potential pounding, in some cases, the influence of impact on seismic responses of multistory buildings was more remarkable.
A connected control method for the adjacent buildings has been studied to reduce dynamic responses. In these studies, seismic loads were generally used as an excitation. Recently, multi-hazards loads including earthquake and strong wind loads are employed to investigate control performance of various control systems. Accordingly, strong wind load as well as earthquake load was adopted to evaluate control performance of adaptive smart coupling control system against multi-hazard. To this end, an artificial seismic load in the region of strong seismicity and an artificial wind load in the region of strong winds were generated for control performance evaluation of the coupling control system. Artificial seismic and wind excitations were made by SIMQKE and Kaimal spectrum based on ASCE 7-10. As example buildings, two 20-story and 12-story adjacent buildings were used. An MR (magnetorheological) damper was used as an adaptive smart control device to connect adjacent two buildings. In oder to present nonlinear dynamic behavior of MR damper, Bouc-Wen model was employed in this study. After parametric studies on MR damper capacity, optimal command voltages for MR damper on each seismic and wind loads were investigated. Based on numerical analyses, it was shown that the adaptive smart coupling control system proposed in this study can provide very good control performance for Multi-hazards.
본 논문에서는 다중재난하중을 받는 인접건물의 동적응답에 대한 연결제어기법의 제어성능을 수치해석적인 방법을 사용하여 검토하였다. 이를 위하여 강진지역인 LA 지역의 지진하중과 강풍지역인 찰스턴 지역의 풍하중을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 인공 지진하중과 풍하중은 ASCE 7-10을 바탕으로 생성하였고 인공지진하중은 SIMQKE을 사용하여 작성하였으며 인공풍하중은 Kaimal Spectrum을 이용하여 작성하였다. 10층 및 20층의 인접구조물을 예제구조물로 사용하였고 비선형 이력댐퍼를 이용하여 연결제어를 하였다. 비선형 이력댐퍼를 간편하게 모형화하기 위하여 주로 MR 감쇠기를 모형화 할 때 사용하는 Bouc-Wen 모델을 사용하였다. 비선형 이력댐퍼는 10층에만 설치한 경우와 1층에서 10층까지 모든 층에 설치한 경우에 대해서 고려하였다. 각 층에 사용하는 댐퍼의 개수를 증가시킨 파라메터 스터디를 수행하였고 지진하중 및 풍하중에 대한 최적의 성능을 보이는 설계안을 검토하였다. 수치해석결과 비선형 이력댐퍼를 이용한 연결제어를 통하여 다중재난 하중에 대한 인접건물의 동적응답을 효과적으로 저감시킬 수 있었고 각각의 재난하중에 대한 최적설계결과가 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 연결되는 감쇠기를 과도하게 사용하면 오히려 구조물의 응답을 증가시킬 수 있으므로 주의 깊은 설계과정이 필요함을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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