The coupled soil-pile-structure seismic response is recently in the spotlight of researchers because of its extensive applications in the different fields of engineering such as bridges, offshore platforms, wind turbines, and buildings. In this paper, a simple analytical model is developed to evaluate the dynamic performance of seismically isolated bridges considering triple interactions of soil, piles, and bridges simultaneously. Novel expressions are proposed to present the dynamic behavior of pile groups in inhomogeneous soils with various shear modulus along with depth. Both cohesive and cohesionless soil deposits can be simulated by this analytical model with a generalized function of varied shear modulus along the soil depth belonging to an inhomogeneous stratum. The methodology is discussed in detail and validated by rigorous dynamic solution of 3D continuum modeling, and time history analysis of centrifuge tests. The proposed analytical model accuracy is guaranteed by the acceptable agreement between the experimental/numerical and analytical results. A comparison of the proposed linear model results with nonlinear centrifuge tests showed that during moderate (frequent) earthquakes the relative differences in responses of the superstructure and the pile cap can be ignored. However, during strong excitations, the response calculated in the linear time history analysis is always lower than the real conditions with the nonlinear behavior of the soil-pile-bridge system. The current simple and efficient method provides the accuracy and the least computational costs in comparison to the full three-dimensional analyses.
Bekiroglu, Serkan;Sahina, Abdurrahman;Sevima, Baris;Ayvaz, Yusuf
Structural Engineering and Mechanics
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v.47
no.6
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pp.857-879
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2013
Numerical damage assessment of Van train station building consisting of three RC blocks due to 2011 Van Earthquakes by nonlinear dynamic analysis is presented. The structural model is created with rigid-end offsets and plastic hinges for nonlinear analysis. Rigid-end offsets are considered for connection areas and proposed for wall-supported elements. In wall-supported elements, walls take place in a limited part of the columns. Nonlinear dynamic analysis of the building with and without rigid-end offsets is performed by using real earthquake records and results are compared. The results show that rigid-end offsets have significant effects on the seismic behavior of the structures.
In the recent decade, practical of wavelet technique is being utilized in various domain of science. Particularly, engineers are interested to the wavelet solution method in the time series analysis. Fundamentally, seismic responses of structures against time history loading such as an earthquake, illustrates optimum capability of systems. In this paper, a procedure using particularly discrete Haar wavelet basis functions is introduced, to solve dynamic equation of motion. In the proposed approach, a straightforward formulation in a fluent manner is derived from the approximation of the displacements. For this purpose, Haar operational matrix is derived and applied in the dynamic analysis. It's free-scaled matrix converts differential equation of motion to the algebraic equations. It is shown that accuracy of dynamic responses relies on, access of load in the first step, before piecewise analysis added to the technique of equation solver in the last step for large scale of wavelet. To demonstrate the effectiveness of this scheme, improved formulations are extended to the linear and nonlinear structural dynamic analysis. The validity and effectiveness of the developed method is verified with three examples. The results were compared with those from the numerical methods such as Duhamel integration, Runge-Kutta and Wilson-${\theta}$ method.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.1
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pp.79-87
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2008
Seismic performance evaluation of structure requires an estimation of the structural performance in terms of displacement demand imposed by earthquakes on the structure. Incremental Dynamic Analysis(IDA) is a analysis method that has recently emerged to estimate structural performance under earthquakes. This method can obtained the entire range of structural performance from the linear elastic stage to yielding and finally collapse by subjecting the structure to increasing levels of ground acceleration. Most structures are expected to deform beyond the limit of linearly elastic behavior when subjected to strong ground motion. The nonlinear response history analysis(NRHA) among various nonlinear analysis methods is the most accurate to compute seismic performance of structures, but it is time-consuming and necessitate more efforts. The nonlinear approximate methods, which is more practical and reliable tools for predicting seismic behavior of structures, are extensively studied. The uncoupled modal response history analysis(UMRHA) is a method which can find the nonlinear reponse of the structures for ESDF from the pushover curve using NRHA or response spectrum. The direct spectrum analysis(DSA) is approximate nonlinear method to evaluate nonlinear response of structures, without iterative computations, given by the structural linear vibration period and yield strength from the pushover analysis. In this study, the practicality and the reliability of seismic performance of approximate nonlinear methods for incremental dynamic analysis of mixed building structures are to be compared.
According to the definition, progressive collapse could occur due to the initial partial failure of the structural members which by spreading to the adjacent members, could result in partial or overall collapse of the structure. Up to now, most researchers have investigated the progressive collapse due to explosion, fire or impact loads. But new research has shown that the seismic load could also be a factor for initiation of the progressive collapse. In this research, the progressive collapse capacity for the 5 and 15-story steel special moment resisting frames using push-down nonlinear static analysis, and nonlinear dynamic analysis under the gravity loads specified in the GSA Guidelines, were studied. After identifying the critical members, in order to investigate the seismic progressive collapse, the 5-story steel special moment resisting frame was analyzed by the nonlinear time history analysis under the effect of earthquakes with different characteristics. In order to account for the initial damage, one of the critical columns was weakened at the initiation of the earthquake or its Peak Ground Acceleration (PGA). The results of progressive collapse analyses showed that the potential of progressive collapse is considerably dependent upon location of the removed column and the number of stories, also the results of seismic progressive collapse showed that the dynamic response of column removal under the seismic load is completely dependent on earthquake characteristics like Arias intensity, PGA and earthquake frequency contents.
Base isolation is a quite practical control strategy for enhancing the response of structural systems induced by strong ground motions. Due to the dynamic effects of base isolation systems, reduction in the interstory drifts of the superstructure is often achieved at the expense of high base displacement level, which may lead to instability of the structure or non-practical designs for the base isolators. To reduce the base displacement, several hybrid structural control strategies have been studied over the past decades. This study investigates a particular strategy that employs Tuned Mass Dampers (TMDs) for improving the performance of base-isolated structures and unlike previous studies, specifically focuses on the effectiveness of this hybrid control strategy in structures that are equipped with nonlinear base isolation systems. To consider the nonlinearities of base isolation systems, a Bouc-Wen model is selected and nonlinear dynamic OpenSees models are used to perform several time-history simulations in time and frequency domains. Through these numerical simulations, the effects of several parameters such as the fundamental period of the structure, dynamic properties of the TMD and isolation systems and properties of the input ground motion on the behaviour of TMD-structure-base isolation systems are examined. The results of this study provide a better insight into the performance of linear shear-story structures with nonlinear base isolators and show that there are many scenarios in which TMDs can still improve the performance of these systems.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.04a
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pp.278-286
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2001
The purpose of this paper is to suggest an analytical technique for time history analysis of R/C frame structure using high-strength concrete under seismic loading. Current researches in hysteretic model of structral elements using high-strength concrete are not enough. It is the cause of error that apply hysteretic model of element using normal-strength concrete to the inelastic analysis of high-strength concrete R/C frame structures. In this paper time history analysis using IDARC and DRAIN programs was performed for a 2-bay, 20-story R/C frame structures. Particularly nonlinear dynamic analysis was performed by IDARC program that was applied hysteretic model of structural element using high-strength concrete. centro earthquake 1940 NS waves was used in the analysis and its peak ground accelerations are changed to be 0.12g, 0.25g
This article examines the seismic vulnerability of soil nail wall structures. Detailed information regarding finite element modeling has been provided. The fragility function evaluates the relationship between ground motion intensities and the probability of surpassing a specific level of damage. The use of incremental dynamic analysis (IDA) has been applied to the soil nail wall against low to severe ground motions. In the nonlinear dynamic analysis of the soil nail wall, a set of twenty seismic ground motions with varying PGA ranges are used. The numerical results demonstrate that the soil-nailed wall reaction is extremely sensitive to earthquake ground vibrations under different intensity measures (IM). In addition, the analytical fragility curve is provided for various intensity values.
In the present study a parametric analysis is conducted to study the effect of pile dimension and soil properties on the nonlinear dynamic response of pile subjected to lateral sinusoidal load at the pile head. The study is conducted on soil-pile model of different pile diameter, pile length and soil modulus, and results are compared to get the effect. The soil-pile system is modelled using Finite element method. The programming is done in MATLAB. Time history analysis of model is done for varying non-dimensional frequency of load and the results are compared to get the non-dimensional frequency at which pile head displacement is maximum in each case. Maximum possible bending moment and soil-pile interacting forces for the dynamic excitation of the pile is also compared. When results are compared with the linear response, it is observed that non-dimensional frequency is reduced in nonlinear response on account of reduction in the soil stiffness due to yielding. Nonlinear response curve shows high amplitude as compared to linear response curve.
Applying nonlinear statistical analysis methods in estimating the performance of structures in earthquakes is strongly considered these days. This is due to the methods' simplicity, timely lower cost and reliable estimation in seismic responses in comparison with time-history nonlinear dynamic analysis. Among nonlinear methods, simplified to be incorporated in the future guidelines, Modal Pushover Analysis, known by the abbreviated name of MPA, simply models nonlinear behavior of structures; and presents a very proper estimation of nonlinear dynamic analysis using lateral load pattern appropriate to the mass. Mostly, two kinds of connecting joints, 'hinge' and 'rigid', are carried out in different type of steel structures. However, it should be highly considered that nominal hinge joints usually experience some percentages of fixity and nominal rigid connections do not employ totally rigid. Therefore, concerning the importance of these structures and the significant flexibility effect of connections on force distribution and elements deformation, these connections can be considered as semi-rigid with various percentages of fixity. Since it seems, the application and implementation of MPA method has not been studied on moment-resistant steel frames with semi rigid connections, this research focuses on this topic and issue. In this regard several rigid and semi-rigid steel bending frames with different percentages of fixity are selected. The structural design is performed based on weak beam and strong column. Followed by that, the MPA method is used as an approximated method and Nonlinear Response History Analysis (NL-RHA) as the exact one. Studying the performance of semi-rigid frames in height shows that MPA technique offers reasonably reliable results in these frames. The methods accuracy seems to decrease, when the number of stories increases and does decrease in correlation with the semi-rigidity percentages. This generally implies that the method can be used as a proper device in seismic estimation of different types of low and mid-rise buildings with semi-rigid connections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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