This study investigated the effect of soil-structure interaction (SSI) on the response of base-isolated buildings. Seismic isolation can significantly reduce the induced seismic loads on a relatively stiff building by introducing flexibility at its base and avoiding resonance with the predominant frequencies of common earthquakes. To provide a better understanding of the movement behavior of multi-story structures during earthquakes, this study analyzed the dynamic behavior of multi-story structures with high damping rubber bearing (HDRB) behavior base isolation systems that were built on soft soil. Various models were developed, both with and without consideration of SSI. Both the superstructure and soil were modeled linearly, but HDRB was modeled non-linearly. The behavior of the specified models under dynamic loads was analyzed using SAP2000 computer software. Erzincan, Marmara and Duzce Earthquakes were chosen as the ground motions. Following the analysis, the displacements, base shear forces, top story accelerations, base level accelerations, periods and maximum internal forces were compared in isolated and fixed-base structures with and without SSI. The results indicate that soil-structure interaction is an important factor (in terms of earthquakes) to consider in the selection of an appropriate isolator for base-isolated structures on soft soils.
우리나라는 일본이나 미국의 서부지역처럼 지진위험도가 매우 높은 지역이 아니다. 그러므로 1988년에 처음으로 내진설계기준이 도입될 때까지 거의 대부분의 구조물들이 지진의 영향을 고려하지 않고 설계되었다. 원자력발전소나 액화천연가스(LNG) 저장 탱크 등의 구조물에 면진 기술이 적용되었지만 우리나라의 기술자들은 면진이나 진동제어에 대해서는 별로 관심이 없었으며 이러한 것은 강진지역에서나 필요한 기술로 생각하였다. 그러나 이러한 기술은 우리나라와 같은 약진지역에서 더 효과적으로 지진과 바람의 영향을 저감시킬 수가 있는 것이다. 다행히 근래에는 극히 소수이기는 하지만 우리나라에서도 면진과 진동제어 기술을 적용하는 교량이나 건물의 수가 점차 늘어나고 있어서 지진이나 바람 등의 영향에 대하여 보다 적극적인 대처를 하기 시작하였다. 그러나 건축 구조물의 면진이나 진동제어에 대하여 설계기준이 제대로 마련되어 있지 않아서 이러한 기술을 적용하는데 실제적으로는 많은 어려움을 겪기도 하는 것이 현실이다. 따라서 우리나라에서도 이러한 기술을 적용할 수 있는 법적 근거를 마련하는 것이 시급한 과제라고 볼 수 있다.
The nuclear accident due to the recent earthquake in Japan has triggered awareness of the importance of safety with regard to nuclear power plants (NPPs). An earthquake is one of the most important parameters which governs the safety of NPPs among external events. Application of a base isolation system for NPPs can reduce the risk for earthquakes. At present, a soil-structure interaction (SSI) analysis is essential in the seismic design of NPPs in consideration of the ground structure interaction. In the seismic analysis of the base-isolated NPP, it is restrictive to consider the nonlinear properties of seismic isolation devices due to the linear analysis of the SSI analysis programs, such as SASSI. Thus, in this study, SSI analyses are performed using an iterative approach considering the material nonlinearity of the isolators. By performing the SSI analysis using an iterative approach, the nonlinear properties of isolators can be considered. The difference between the SSI analysis results without iteration and SSI with iteration using SASSI is noticeable. The results of the SSI analysis using an effective linear (non-iterative) approach underestimate the spectral acceleration because the effective linear model cannot consider the nonlinear properties of isolators. The results of the SSI analysis show that the horizontal response of the base-isolated NPP is significantly reduced.
Mohammad Mahmoudi;Abbas Ghasemi;Shahriar Tavousi Tafreshi
Structural Engineering and Mechanics
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제91권5호
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pp.469-486
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2024
Electric transformers are major components of electrical systems, and damage to them caused by earthquakes can result in significant financial loss. The current study modeled a three-dimensional (3D) isolated electrical transformer under horizontal and vertical records from different earthquakes. Instead of using fixed coefficients, an improved wavelet method has been used to create the greatest compatibility between the response spectra and the target spectrum. This method has primarily been used for dynamic analysis of isolated structures with spring-damper devices because it has shown greater accuracy in predicting the response of such structures. The effect of the nonlinear soil-structure interaction on the probability of transformer failure also has been investigated. Soil and structure interaction modeling was carried out using a beam on a nonlinear Winkler foundation. The effect of the nonlinear soil-structure interaction during dynamic analysis of transformers revealed that the greatest increase in the probability of transformer failure was in the fixed-base condition when the structure was located on soft soil. This intensified the response of the structure and increased the probability of transformer failure by up to 27% for far-field and up to 95% for near-field ground motions. A comparison of the results indicates that the use of 3D isolation systems in transformers in areas with soft clay that are subject to near-field ground motions can strongly reduce the probability of failure and improve the seismic performance of the transformer.
Seismic response of the liquid storage tanks isolated by the elastomeric bearings and sliding systems is investigated under near-fault earthquake motions. The fault normal and parallel components of near-fault motion are applied in two horizontal directions of the tank. The continuous liquid mass of the tank is modeled as lumped masses known as sloshing mass, impulsive mass and rigid mass. The corresponding stiffness associated with these lumped masses has been worked out depending upon the properties of the tank wall and liquid mass. It is observed that the resultant response of the isolated tank is mainly governed by fault normal component with minor contribution from the fault parallel component. Further, a parametric study is also carried out to study the effects of important system parameters on the effectiveness of seismic isolation for liquid storage tanks. The various important parameters considered are: aspect ratio of tank, the period of isolation and the damping of isolation bearings. There exists an optimum value of isolation damping for which the base shear in the tank attains the minimum value under near-fault motion. The increase of damping beyond the optimum value will reduce the bearing and sloshing displacements but increases the base shear. A comparative performance of five isolation systems for liquid storage tanks is also studied under normal component of near-fault motion and found that the EDF type isolation system may be a better choice for design of isolated tank in near-fault locations. Finally, it is also observed that the satisfactory response can be obtained by analysing the base-isolated tanks under simple cycloidal pulse instead of complete acceleration history.
지진 다발 지역인 일본에서 최근 초고층 건축물에 전단키를 갖는 면진 구조물에 많이 건설되고 있으며 초고층 건축물은 중저층 건축물과 비교하여 고유진동주수가 크기 때문에 지진하중이 작아 지진에 대한 피해가 적다. 지진에 의하여 큰 전단력이 발생할 경우에 전단키를 갖는 면진장치의 전단키는 파괴되고 면진장치가 지진에 거동하게 되며 만약에 퐁하중이 지진하중보다 크다면 전단키를 지진하중에 대하여 설계하는 것이 아니라 풍하중에 의하여 설계하여야 한다. 중진지역인 한국에서도 면진 건축물에 있어서 전단키의 필요성 요구되며 이에 대한 검증이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 5층과 15층 면진 건축물에 대하여 전단키를 적용하고 지진해석을 실시하여 그 거동을 비교분석, 면진 건축물에 대한 전단키의 필요성을 알아보았다.
The optimum damping and tuning frequency ratio of the tuned mass damper-inerter (TMDI) for the base-isolated structure is obtained using the numerical searching technique under stationary white-noise and filtered white-noise earthquake excitation. The minimization of the isolated structure's mean-square relative displacement and absolute acceleration, as well as the maximization of the energy dissipation index, were chosen as the criteria for optimality. Using a curve-fitting technique, explicit formulae for TMDI damping and tuning frequency for white-noise excitation are then derived. The proposed empirical expressions for TMDI parameters are found to have a negligible error, making them useful for the effective design of base-isolated structures. The effectiveness of TMDI and its optimum parameters are influenced by the soil condition and isolation frequency, according to the comparison made of the optimized parameters and response with different soil profiles. The effectiveness of an optimally designed TMDI in controlling the displacement and acceleration response of the flexible isolated structure under real and pulse-type earthquakes is also observed and found to be increased as the inertance mass ratio increases.
This study compares the performance of two smart isolation systems that utilize superelastic shape memory alloys (SMAs) for seismic protection of bridges using energy balance concepts. The first isolation system is a SMA/rubber-based isolation system (SRB-IS) and consists of a laminated rubber bearing that decouples the superstructure from the bridge piers and a SMA device that provides additional energy dissipation and re-centering capacity. The second isolation system, named as superelastic-friction base isolator (S-FBI), combines the superelastic SMAs with a flat steel-Teflon bearing rather than a laminated rubber bearing. Seismic energy equations of a bridge structure with SMA-based isolation systems are established by absolute and relative energy balance formulations. Nonlinear time history analyses are performed in order to assess the effectiveness of the isolation systems and to compare their performance. The program RSPMatch 2005 is employed to generate spectrum compatible ground motions that are used in time history analyses of the isolated bridge. Results indicate that SRB-IS produces higher seismic input energy, recoverable energy and base shears as compared to the S-FBI system. Also, it is shown that combining superelastic SMAs with a sliding bearing rather than rubber bearing significantly reduce the amount of the required SMA material.
Recently, number of smart material are investigated and widely used in civil construction and other industries. Present study investigates the application of smart semi-active piezoelectric friction damper (PFD) made with piezoelectric material for the seismic control of the horizontally curved bridge isolated with lead rubber bearing (LRB). The main aim of the study is to investigate the effectiveness of hybrid system and to find out the optimum parameters of PFD for seismic control of the curved bridge. The selected curved bridge is a continuous three-span concrete box girder supported on pier and rigid abutment. The PFD is located between the deck and abutments or piers in chord and radial directions. The bridge is excited with four different earthquake ground motions with all three components (i.e. two horizontal and a vertical) having different characteristics. It is observed that the use of semi-active PFD with LRB is quite effective in controlling the response of the curved bridge as compared with passive system. The incorporation of the smart damper requiring small amount of energy in addition with an isolation system can be used for effective control the curved bridge against the dynamic loading.
Tavakoli, Hamid R.;Naghavi, Fahime;Goltabar, Ali R.
Earthquakes and Structures
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제9권3호
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pp.639-656
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2015
Seismic isolation devices are commonly used to mitigate damages caused by seismic responses of structures. More damages are created due to progressive collapse in structures. Therefore, evaluating the impact of the isolation systems to enhance progressive collapse-resisting capacity is very important. In this study, the effect of lead rubber bearing isolation system to increase the resistance of structures against progressive collapse was evaluated. Concrete moment resisting frames were used in both the fixed and base-isolated model structures. Then, progressive collapse-resisting capacity of frames was investigated using the push down nonlinear static analysis under gravity loads that specified in GSA guideline. Nonlinear dynamic analysis was performed to consider dynamic effects column removal under earthquake. The results of the push down analysis are highly dependent on location of removal column and floor number of buildings. Also, seismic isolation system does not play an effective role in increasing the progressive collapse-resisting capacities of structures under gravity loads. Base isolation helps to localize failures and prevented from spreading it to intact span under seismic loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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