This research concentrates on the influence of non-linearities associated with impact for the nonlinear rocking behavior of rigid block subjected to one dimensional sinusoidal excitation of horizontal direction. The transition of two governing rocking equations, the abrupt reduction in the kinetic energy associated with impact, and sliding motion of block. In this study, two type of rocking vibration system are considered. One is the undamped rocking vibration system, disregarding energy dissipation at impact and the other is the damped rocking system, including energy dissipation and sliding motion. The response analysis using non-dimensional rocking equation is carried out for the change of excitation parameters and friction coefficient. The chaos responses were discovered in the wide response region, particularly, for the case of high excitation amplitude and their chaos characteristics were examined by the time history, Poincare map, power spectra and Lyapunov Exponent of rocking responses. The complex behavior of chaos response, in the phase space, were illustrated by Poincare map. The bifurcation diagram and Poincare map were shown to be effective in order to understand chaos of rocking system.
This present work focuses on the influence of nonlinearities associated with impact on the rocking behavior of a rigid body block subjected to a two-dimensional excitation in the horizontal and vertical directions. The nonlinearities in rocking system are found to be strongly dependent on the impact between the block and the base that abruptly reduces the kinetic energy. In this study, the rocking systems of the two types are considered : The first is an undamped rocking system model that disregards the energy dissipation during the impact and the second is a damped rocking system, which incorporates energy dissipation during the impact. The response analysis is carried out by a numerical method using a non-dimensional rocking equation in which the variations in the excitation levels are considered. Chaos responses are observed over a wide range of parameter values, and particularly in the case of large vertical displacements, the chaotic characteristics are observed in the time histories, Poincare sections, the power spectral density and the largest Lyapunov exponents of the rocking responses. Complex behavior characteristics of rocking responses are illustrated by the Poincare sections.
This paper deals with rocking response behavior of rigid block structure subjected to horizontal excitation. A strict consideration of impact and sliding between the block and base is essential to investigate the rocking vibration characteristics because the rocking behavior were greatly influenced by the impact and sliding motion. Therefore, not only restitution coefficient between the block and base but also the energy dissipation rate which is associated with sliding motion, and the static and kinetic friction coefficient between those should be included in the modeling of rocking system. The analytic program was developed to be able to simulate the experimental responses of the block subjected to horizontal sinusoidal excitations. By using this program, rocking responses were numerically calculated by the nonlinear equations for rocking system. From the response simulation and rocking vibration experiment, the following results were obtained. The rocking responses are affected by the impact motion due to energy dissipation and friction and provide very complex behavior. The toppling condition of the block is also influenced by the impact motion and sliding motion.
This research deals with the non-linearities associated with impact and sliding for the rocking behavior of rigid block subjected to two dimensional excitation of horizontal and vertical direction. The non-linearities examined of impact between block and base: The transition of two governing rocking equations, the abrupt reduction in kinetic energy associated with impact. In this study, the rocking vibration system of two types are considered for several friction condition. One is the undamped rocking vibration system, disregarding energy dissipation at impact and the other is the damped rocking system, including energy dissipation at impact. The response analysis by non-dimensional rocking equation is carried out for the change of excitation amplitude. The chaos responses were discovered in the wide response region, particularly, in the case of high vertical excitation and their chaos characteristics are examined by Poincare map, power spectra and Lyapunov Exponent. The complex behavior of chaos response, in the phase space, were illustrated by Poincare map. Therefore, Poincare map will be a significant material in order to understand chaos of rocking system.
Miguel A. Jaimes;Salatiel Trejo;Valentin Juarez;Adrian D. Garcia-Soto
Earthquakes and Structures
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제25권4호
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pp.269-282
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2023
This study investigates a rocking seismic isolation (RSI) system as a seismic protection measure against narrow-band ground-motions generated by earthquakes. Structures supported over RSIs are considered capable of reducing the lateral demands and damage of the main structural system through lifting and rocking. This lifting and rocking during earthquake activity is provided by free-standing columns. A single-degree-of-freedom (SDOF) system supported on a RSI system is subjected to narrow-band seismic motions and its response is compared to an analog system without RSI. The comparison is then extended to reinforced concrete linear frames with and without RSI; three-bay frames with 11 and 17 storeys are considered. It is found that the RSI systems significantly reduce acceleration and displacement demands in the main structural frames, more noticeably if the first structural mode dominates the response and for ratios of the predominant frequency of the ground motion to the predominant frequency of the main frame near one. It is also found that the RSI system is more effective in reducing lateral accelerations and displacements of the main structure when the aspect ratio, b/h, and size, R, of the free-standing columns decrease, although the rocking stability of the RSI system is also reduced.
In this study an innovative rocking zipper braced frame (RZBF) is proposed to overcome the deficiencies of common concentrically braced frames. RZBF is an improved rocking concentrically braced frame which is based on combination of rocking behavior and zipper columns. The base rocking joints and post-tensioned bars provide rocking response and restoring force, respectively. Also, zipper columns distribute the unbalance force over the frame height and reduce the damage concentration. To evaluate seismic performance of RZBF, a comparison study is carried out considering concentrically braced frame, zipper braced frame, rocking concentrically braced frame and RZBF. Thereby, a suite of non-linear time history analyses had been performed on four different types of archetypes with four, six, eight, ten and twelve stories. Frames were designed and non-linear time history analyses were conducted in OpenSees. To compare the seismic behavior of the archetypes, roof drifts, residual roof drifts, story drifts, the forces of first and top story braces, PT bars forces, column uplift and base shears were taken in to consideration. Results illustrate that using RZBF, can reduce the damage due to reduced residual drifts. Zipper columns enhance the seismic performance of rocking systems. As the number of stories increase in the RZBF systems, larger top story braces were needed. So the RZBF system is applicable on low and midrise buildings.
The rocking foundation is effective for reducing structural seismic demand and avoiding overdesign of the foundation. It is crucial to evaluate the performance of rocking foundations because they cause plastic hinging in the soil. In this study, to derive optimized ground motion intensity measures (IMs) for rocking foundations, the efficiency of IMs correlated with engineering demand parameters (EDPs) was estimated through the coefficient determination using a physical modeling database for rocking shallow foundations. Foundation deformations, the structural horizontal drift ratio, and contribution in drift from foundation rotation and sliding were selected as crucial EDPs for the evaluation of rocking foundation systems. Among 15 different IMs, the peak ground velocity exhibited the most efficient parameters correlated with the EDPs, and it was discovered to be an efficient ground motion IM for predicting the seismic performance of rocking foundations. For vector regression, which uses two IMs to present the EDPs, the IMs indicating time features improved the efficiency of the regression curves, but the correlation was poor when these are used independently. Moreover, the ratio of the column-hinging base shear coefficient to the rocking base shear coefficient showed obvious trends for the accurate assessment of the seismic performance of rocking foundation-structure systems.
This study introduces a novel 'multi-mushroom' structural system designed to improve seismic performance in lowrise buildings. Traditional low-rise structures tend to favor sliding over rocking due to their smaller aspect ratios despite the rocking system's superior seismic response reduction. Rocking designs allow structures to pivot at their base during seismic events, reducing damage by dissipating energy. The proposed multi-mushroom system divides the building into four equal sections with small gaps in between, each capable of independent rocking. Numerical analyses are conducted using scaled earthquake records from far- and near-source events to evaluate this system's performance. The results indicated that the multimushroom system significantly reduces plastic hinge formation compared to conventional designs. The system also demonstrated enhanced beam performance and a robust base girder, contributing to reduced collapse vulnerability. The 3-story model exhibited the most favorable behavior, effectively mitigating peak roof drift values, where the rocking system achieved a 21% reduction in mean roof displacement for near-field records and 15% for far-field records. However, the 5-story configuration showed increased roof displacement, and the 7-story model recorded higher incidences of collapse prevention (CP) hinges, indicating areas for further optimization. Overall, the multi-mushroom system enhances seismic resilience by minimizing plastic hinge formation and improving structural integrity. While the system shows significant promise for low-rise buildings, challenges related to roof displacement and inter-story drift ratio in taller structures necessitate further research. These findings suggest that the multi-mushroom system offers a viable solution for seismic risk reduction, contributing to safer and more sustainable urban development in earthquake-prone areas.
This research deals with the influence of nonlinearities associated with impact and sliding upon the rocking behavior of a rigid block, which is subjected to two-dimensional horizontal and vertical excitation. Nonlinearities in the vibration were found to depend strongly on the effect of the impact between the block and the base, which involves an abrupt reduction in the system's kinetic energy. In particular, when sliding occurs, the rocking behavior is substantially changed. Response analysis using a non-dimensional rocking equation was carried out for a variety of excitation levels and excitation frequencies. The chaos responses were observed over a wide response region, particularly, in the cases of high vertical displacement and violent sliding motion, and the chaos characteristics appear in the time histories, Poincare maps, power spectra and Lyapunov exponents of the rocking responses. The complex behavior of chaotic response, in phase space, is illustrated by the Poincare map. The distribution of the rocking response is described by bifurcation diagrams and the effects of sliding motion are examined through the several rocking response examples.
연약한 지반위에 기초한 유연한 구형 액체 저장탱크의 Rocking 운동에 대한 3차원 지진응답을 규명하기 위해서 동적 유체-구조 물-지반 계의 상호작용 해석방법을 개발하였다. 수평방향 병진 운동과 Rocking 운동을 받는 3차원의 구형 탱크의 운동 지배방정식을 Rayleigh-Ritz 방법을 적용하여 유도하였고 기반암위 토층의 표면에 놓인 강체 기초의 동적 강성행렬과 유체-구조물 계의 지배방정식을 결합하여 계산하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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