Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.4
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pp.51-63
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2002
This paper presents a hybrid control strategy for seismic protection of a benchmark cable-stayed bridge, which is provided as a testbed structure for the development of strategies for the control of cable-stayed bridges. This benchmark problem considers the cable-stayed bridge that is scheduled for completion in Cape Girardeau, Missouri, USA in 2003. Seismic considerations were strongly considered in the design of this bridge due to the location of the bridge in the New Madrid seismic zone and its critical role as a principal crossing of the Mississippi river. Based on detailed drawings of this cable-stayed bridge, a three-dimensional linearlized evaluation model has been developed to represent the complex behavior of the bridge. A set of eighteen evaluation criteria has been developed to evaluate the capabilities of each control strategy. In this study, a hybrid control system is composed of a passive control system to reduce the earthquake-induced forces in the structure and an active control system to further reduce the bridge responses, especially deck displacements. Conventional base isolation devices such as lead rubber bearings are used for the passive control design and Bouc-Wen model is used to simulate the nonlinear behavior of these devices For the active control design, ideal hydraulic actuators are used and on $H_2$/LQG control algorithm is adopted. Numerical simulation results show that the performance of the proposed hybrid control strategy is quite effective compared to that of the passive control strategy and slightly better than that of the active control strategy. The hybrid control method is also more reliable than the fully active control method due to the passive control part. Therefore, the proposed hybrid control strategy can effectively be used to seismically excited cable-stayed bridges.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.499-512
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2016
The boundary reaction method(BRM) is a substructure time domain method, it removes global iterations between frequency and time domain analyses commonly required in the hybrid approaches, so that it operates as a two-step uncoupled method. The BRM offers a two-step method as follows: (1) the calculation of boundary reaction forces in the frequency domain on an interface of linear and nonlinear regions, (2) solving the wave radiation problem subjected to the boundary reaction forces in the time domain. In the time domain analysis, the near-field soil is modeled to simulate the wave radiation problem. This paper evaluates the performance of the BRM according to modeling extent of near-field soil for the nonlinear SSI analysis of base-isolated NPP structure. For this purpose, parametric studies are performed using equivalent linear SSI problems. The accuracy of the BRM solution is evaluated by comparing the BRM solution with that of conventional SSI seismic technique. The numerical results show that the soil condition affects the modeling range of near-field soil for the BRM analysis as well as the size of the basemat. Finally, the BRM is applied for the nonlinear SSI analysis of a base-isolated NPP structure to demonstrate the accuracy and effectiveness of the method.
The paper presents a review of the application of the newly proposed mixed finite element model for seismic simulation of different types of composite frame structures. To evaluate the performance of the element, a comparison with displacement-based and force-based models is conducted. The study revealed that the mixed model is superior to the others in terms of both speed of convergence and numerical stability, and is therefore considered the most practical approach for modeling of composite structures. In this model, the element is derived using independent force and displacement shape functions. The nonlinear response of the frame element is based on the section discretization into fibers with uniaxial material models. The interfacial behavior is modeled using an inelastic interface element. Numerical examples to clarify the advantages of the model are presented for the following structural applications: anchored reinforcing bar problems, composite steel-concrete girders with deformable shear connectors, beam on elastic foundation elements, R/C girders strengthened with FRP sheets, R/C beam-columns with bond-slip, and prestressed concrete girders. These studies confirmed that the model represents a major advancement over existing elements in simulating the inelastic behavior of composite structures.
The effectiveness of seismic retrofitting of RC-frame buildings by converting selected bays into new walls through infilling with RC walls was studied experimentally using a full-scale four-storey model tested with the pseudo-dynamic (PsD) method. The frames were designed and detailed for gravity loads only using different connection details between the walls and the bounding frame. In order to simulate the experimental response, two numerical models were formulated differing at the level of modelling. The purpose of this paper is to illustrate the capabilities of these models to simulate the experimental nonlinear behaviour of the tested RC building strengthened with RC infill walls and comment on their effectiveness. The comparison between the capacity, in terms of peak ground acceleration, of the strengthened frame and the one of the bare frame, which was obtained numerically, has shown a five-fold increase.
Base isolation is a well-established passive strategy for seismic response control of buildings. In this paper, an efficient framework is proposed for reliability-based design optimization (RBDO) of isolated buildings subjected to uncertain earthquakes. The framework uses reduced function evaluations method, as an efficient tool for structural reliability analysis, and an efficient optimization algorithm for optimal structural design. The probability of failure is calculated considering excessive base displacement, superstructure inter-storey drifts, member stress ratios and absolute accelerations of floors of the isolated building as failure events. The behavior of rubber bearing isolators is modeled using nonlinear hysteretic model and the variability of future earthquakes is modeled by applying a probabilistic approach. The effects of pulse component of stochastic near-fault ground motions, fixity-factor of semi-rigid beam-to-column connections, values of isolator parameters, earthquake magnitude and epicentral distance on the performance and safety of semi-rigidly connected base-isolated steel framed buildings are studied. Suitable RBDO examples are solved to illustrate the results of investigations.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.22
no.5
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pp.271-280
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2018
This paper presents a framework for developing aftershock fragility curves for reinforced concrete bridges initially damaged by mainshocks. The presented aftershock fragility is a damage-dependent fragility function, which is conditioned on an initial damage state resulting from mainshocks. The presented framework can capture the cumulative damage of as-built bridges due to mainshock-aftershock sequences as well as the reduced vulnerability of bridges repaired with CFRP pier jackets. To achieve this goal, the numerical model of column jackets is firstly presented and then validated using existing experimental data available in literature. A four-span concrete box-girder bridge is selected as a case study to examine the application of the presented framework. The aftershock fragility curves are derived using response data from back-to-back nonlinear dynamic analyses under mainshock-aftershock sequences. The aftershock fragility curves for as-built bridge columns are firstly compared with different levels of initial damage state, and then the post-repair effect of FRP pier jacket is examined through the comparison of aftershock fragility curves for as-built and repaired piers.
Fragility functions are determined for braced steel moment frames (SMFs) with plans such as square-, T-, L-, U-, trapezoidal-, and semicircular-shaped, subjected to blast. The frames are designed for gravity and seismic loads, but not necessarily for the blast loads. The blast load is computed for a wide range of scenarios involving different parameters, viz. charge weight, standoff distance, and blast location relative to plan of the structure followed by nonlinear dynamic analysis of the frames. The members failing in rotation lead to partial collapse due to plastic mechanism formation. The probabilities of partial collapse of the SMFs, with and without bracing system, due to the blast loading are computed to plot fragility curves. The charge weight and standoff distance are taken as Gaussian random input variables. The extent of propagation of the uncertainties in the input parameters onto the response quantities and fragility of the SMFs is assessed by computing Sobol sensitivity indices. The probabilistic analysis is conducted using Monte Carlo simulations. The frames have least failure probability for blasts occurring in front of their corners or convex face. Further, the unbraced frames are observed to have higher fragility as compared to counterpart braced frames for far-off detonations.
Implementation of component isolation in nuclear industry is challenging due to gaps in research and the lack of specific guidelines. In this study, parameters affecting component-level isolation of advanced reactor vessels are identified based on a representative numerical model with explicit consideration of nonlinear soil-structure interaction (SSI). The objective of this study is to evaluate the effectiveness of, and to identify potential limitations of using conventional friction pendulum bearings to seismically isolate vessels. It is found that slender vessels or components are particularly vulnerable to rotational accelerations at the isolation interface, which are caused by rotation of the sub-structure and by excitation of higher modes in the horizontal direction of the seismically isolated system. Component isolation is found to be more effective for relatively stiffer vessels and at sites with stiff soil. Considering that conventional isolators are deficient in resisting axial tension, it is observed that the optimum location for supporting a component to achieve seismic isolation, is at a cross-sectional plane passing through the center of mass of the vessel. These findings are corroborated by numerous simulations of the response of seismically isolated reactor vessels at different nuclear power plant sites subject to a variety of ground motions.
Eliasi, Hussein;Yazdani, Hessam;Khatibinia, Mohsen;Mahmoudi, Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.5
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pp.633-645
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2022
The active tuned mass damper (ATMD) is an efficient and reliable structural control system for mitigating the dynamic response of structures. The inertial force that an ATMD exerts on a structure to attenuate its otherwise large kinetic energy and undesirable vibrations and displacements is proportional to its excursion. Achieving a balance between the inertial force and excursion requires a control law or feedback mechanism. This study presents a technique for the optimum design of a sliding mode controller (SMC) as the control law for ATMD-equipped structures subjected to earthquakes. The technique includes optimizing an SMC under an artificial earthquake followed by testing its performance under real earthquakes. The SMC of a real 11-story shear building is optimized to demonstrate the technique, and its performance in mitigating the displacements of the building under benchmark near- and far-fault earthquakes is compared against that of a few other techniques (proportional-integral-derivative [PID], linear-quadratic regulator [LQR], and fuzzy logic control [FLC]). Results indicate that the optimum SMC outperforms PID and LQR and exhibits performance comparable to that of FLC in reducing displacements.
In this study, it is intended to perform nonlinear time-history analyses of nuclear power plant structures (NPP) under near-fault earthquakes showing directivity pulse and fling-step characteristics. Simulation procedures based on cycloidal pulse and far-fault ground motions are also used to simulate near-fault motions showing forward-directivity and fling-step characteristics and the structural responses are compared with those of the recorded near-fault ground motions. Because it is aimed to determine specifically the pulse type characteristics of near-fault ground motions on NPPs, all the ground motions are normalized to have a PGA of 0.3 g. Depending on the obtained results it can be underlined that although near-fault ground motion has the potential to cause damage mostly on structural systems having larger periods, it may also have noticeable effects on the responses of rigid structures, like NPP containment buildings. On the other hand, simulated near-fault motions can help us to get an insight into the near-fault mechanism as well as an approximate visualization of the structural responses under near-fault earthquakes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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