The spatial variation characteristics of seismic motions at the nuclear power plant's site and structures were analyzed using earthquake records obtained at the Fukushima nuclear power plant during the Great East Japan Earthquake. The ground responses amplified as they approached the soil surface from the lower rock surface, and the amplification occurred intensively at about 50 m near the ground. Due to the soil layer's nonlinear characteristics caused by the strong seismic motion, the ground's natural frequency derived from the response spectrum ratio appeared to be smaller than that calculated from the shear wave velocity profile. The spatial variation of the peak ground acceleration at the ground surface of the power plant site showed a significant difference of about 0.6 g at the maximum. As a result of comparing the response spectrums at the basement of the structure with the design response spectrum, there was a large variability by each power plant unit. The difference was more significant in the Fukushima Daiichi site record, which showed larger peak ground acceleration at the surface. The earthquake motions input to the basement of the structure amplified according to the structure's height. The natural frequency obtained from the recorded results was lower than that indicated in the previous research. Also, the floor response spectrum change according to the location at the same height was investigated. The vertical response on the foundation surface showed a significant difference in spectral acceleration depending on the location. The amplified response in the structure showed a different variability depending on the type of structure and the target frequency.
Lim, Hyun-Kyu;Kang, Jun Won;Lee, Young-Geun;Chi, Ho-Seok
Multiscale and Multiphysics Mechanics
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제1권2호
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pp.143-156
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2016
Reinforced concrete (RC) structures require advanced analysis techniques for better estimation of their seismic responses, especially in the case of exhibiting complex three-dimensional coupling of torsional and flexural behaviors. This study focuses on validating a numerical approach for evaluating the seismic response of a three-dimensional unsymmetrical RC structure through the participation in the SMART 2013 international benchmark program. The benchmark program provides material properties, detailed drawings of the RC structure, and input ground motions for the seismic response evaluation. In this study, nonlinear constitutive models of concrete and rebar were formed and local tests were conducted to verify the constitutive models in finite element analysis. Elastic calibration of the finite element model of the SMART 2013 RC structure was performed by comparing numerical and experimental results in modal and linear time history analyses. Using the calibrated model, nonlinear earthquake analysis and seismic fragility analysis were performed to estimate the behavior and vulnerability of the RC structure with various ground motions.
Vertical earthquake ground motion may magnify vertical dynamic responses of structures, and thus cause serious damage to bridges. As main support structures, piers and bearings play an important role in vertical seismic response analysis of girder bridges. In this study, the pier and bearing are simplified as a vertical series spring system without mass. Then, based on the assumption of small displacement, the equation of motion governing the simply-supported straight girder bridge under vertical ground motion is established including effects of vertical deformation of support structures. Considering boundary conditions, the differential quadrature method (DQM) is applied to discretize the above equation of motion into a MDOF (multi-degree-of-freedom) system. Then seismic responses of this MDOF system are calculated by a step-by-step integration method. Effects of support structures on vertical dynamic responses of girder bridges are studied under different vertical strong earthquake motions. Results indicate that support structures may remarkably increase or decrease vertical seismic responses of girder bridges. So it is of great importance to consider effects of support structures in structural seismic design of girder bridges in near-fault region. Finally, optimization of support structures to resist vertical strong earthquake motions is discussed.
To investigate the seismic pounding response of long-span bridges with high-piers under strong ground motions, shaking table tests were performed on a 1/10-scaled bridge model consisting of three continuous spans with rigid frames and one simply-supported span. The seismic pounding responses of this bridge model under different earthquake excitations including the uniform excitation and the traveling wave excitations were experimentally studied. The influence of dampers to the seismic pounding effects at the expansion joints was analyzed through nonlinear dynamic analyses in this research. The seismic pounding effects obtained from numerical analyses of the bridge model are in favorable agreement with the experimental results. Seismic pounding effect of bridge superstructures is dependent on the structural dynamic properties of the adjacent spans and characteristics of ground motions. Moreover, supplemental damping can effectively mitigate pounding effects of the bridge superstructures, and reduce the base shear forces of the bridge piers.
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.
최근 백령도 해역에서 발생한 규모 4.3에 해당하는 중규모 지진(2011년 6월 17일)으로부터 관측된 지반진동 파형을 이용하여 지진원 기구 및 수평 응답스펙트럼을 분석하였다. 분석결과를 한반도의 응력방향과 비교하였고 또한 국내 원자력 관련 구조물의 내진설계 기준과 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 지진원 연구에 이용된 지반진동은 3개 관측소(각 관측소에서 3성분)에서 관측된 전파형에 대해 모멘트텐서 기본식을 이용한 격자탐색법을 적용하여 분석하였다. 지진원기구에서 제시하는 주압축응력 방향은 ENE-WSW 방향으로 기존 한반도 전체의 주 응력방향과 대체로 유사하였다. 원자력 관련 구조물의 내진설계 기준과 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 국내 원자력시설물의 내진기준으로 이용되고 있는 Reg. Guide 1.60과 비교한 결과 특히 약 3 Hz 이상의 높은 고유진동수 영역에서 Reg. Guide 1.60 기준보다 높은 값을 보여 주었다. 또한 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준인 표준 설계응답스펙트럼을 비교한 결과 약 0.8초 이하의 단주기 영역의 전체 대역(SD 지반조건)에서 자료처리 결과가 기준을 크게 초과하였다. 향후 국내 지진활동 실정에 적합한 내진설계 기준 마련을 위해 관측자료의 질적 향상 및 양적인 축적 등을 통하여 특히 높은 고유진동수 대역에서 수평응답스펙트럼 기준의 보수성을 재고할 필요가 있다.
대부분의 내진설계기준에서는 설계지반운동을 정의하기 위해서 설계스펙트럼을 제시하고 있다. 기준에서 제시되는 설계스펙트럼은 일반적으로 5% 임계감쇠비에 대한 것이며, 이것은 일반적인 건축구조물에 적용할 수 있는 것이다. 에너지 소산장치나 면진 시스템의 적용이 점차 증가하고 있으며, 이러한 장치를 적용한 건축구조물의 내진해석을 위해서는 5% 임계감쇠비를 초과하는 설계스펙트럼이 필요하다. 5% 임계감쇠비에 대한 설계스펙트럼을 다른 임계감쇠비에 대한 설계스펙트럼으로 변환하기 위해서는 감쇠계수가 효과적으로 이용될 수 있다. 현재의 내진설계기준에서 제시하고 있는 감쇠계수는 강진자료를 바탕으로 제시된 것이다. 중진 및 약진은 강진과는 다른 특성을 가지므로, 이러한 감쇠계수가 중진 및 약진 지역에 적용하는 것은 충분한 검토가 필요할 것이다. 이 논문에서는 중진 및 약진자료를 이용한 감쇠계수를 제시하고, 현재 설계기준에서 제시하고 있는 감쇠계수와 비교하였다.
Extremely long-span transmission tower-line system is an indispensable portion of an electricity transmission system, and its failures or collapse can impact on the entire electricity grid, affect the modern life, and cause great economic losses. It is therefore imperative to investigate the failure and safety of the transmission tower subjected to ground motions. In the present study, a detailed finite element (FE) model of a representative extremely long-span transmission tower-line system is established. A segmental damage indicator (SDI) is proposed to quantitatively assess the damage level of each segment of the transmission tower under earthquakes. Additionally, parametric studies are conducted to investigate the influence of different ground motions and incident angles on the ultimate capacity and weakest segment of the transmission tower. Finally, the collapse fragility curve in terms of the maximum SDI value and PGA is plotted for the exampled transmission tower. The results show that the proposed SDI can quantitatively assess the damage level of the segments, and thus determine the ultimate capacity and weakest segment of the transmission tower. Moreover, the different ground motions and incident angles have a significant influence on the SDI values of the transmission tower, and the collapse fragility curve is utilized to evaluate the collapse resistant capacity of the transmission tower subjected to ground motions.
Ground motions recorded in near-fault sites, where the rupture propagates toward the site, are significantly different from those observed in far-fault regions. In this research, finite element modeling is used to investigate the effect of pile cap stiffness on the seismic response of soil-pile-structure systems under near-fault ground motions. The Von Wolffersdorff hypoplastic model with the intergranular strain concept is applied for modeling of granular soil (sand) and the behavior of structure is considered to be non-linear. Eight fault-normal near-field ground motion records, recorded on rock, are applied to the model. The numerical method developed is verified by comparing the results with an experimental test (shaking table test) for a soil-pile-structure system. The results, obtained from finite element modeling under near-fault ground motions, show that when the value of cap stiffness increases, the drift ratio of the structure decreases, whereas the pile relative displacement increases. Also, the residual deformations in the piles are due to the non-linear behavior of soil around the piles.
Previous major earthquakes indicated that the earthquake induced ground motions are typical non-stationary processes, which are non-stationary in both amplification and frequency. For the convenience of aseismic design and analysis, it usually assumes that the ground motions at structural supports are stationary processes. The development of time-frequency analysis technique makes it possible to evaluate the non-stationary responses of engineering structures subjected to non-stationary inputs, which is more general and realistic than the analysis method commonly used in engineering. In this paper, the wavelet-based stochastic vibration analysis methodology is adopted to calculate the non-stationary responses of multi-support structures. For comparison, the stationary response based on the standard random vibration method is also investigated. A frame structure and a two-span bridge are analyzed. The effects of non-stationary spatial ground motion and local site conditions are considered, and the influence of structural property on the structural responses are also considered. The analytical results demonstrate that the non-stationary spatial ground motions have significant influence on the response of multi-support structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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