Fundamental period is one of the most critical parameters affecting the seismic design of buildings. In this paper, a very simple approach is presented for estimating the fundamental period of multiple-degree-of-freedom (MDOF) structures. The basic idea behind this approach is to replace the complicated MDOF system with an equivalent single-degree-of-freedom (SDOF) system. To realize this equivalence, a procedure for replacing a two-degree-of-freedom (2-DOF) system with an SDOF system, known as a two-to-single (TTS) procedure, is developed first; then, using the TTS procedure successively, an MDOF system is replaced with an equivalent SDOF system. The proposed approach is expressed in terms of mass, stiffness, and number of stories, without mode shape or any other parameters; thus, it is a very simple method. The accuracy of the proposed method is investigated by estimating the fundamental periods of many MDOF models; it is found that the results obtained by the proposed method agree very well with those obtained by eigenvalue analysis.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.3
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pp.179-186
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2024
In this paper, a modification coefficient for equivalent single degree of freedom (SDOF), considering the plasticity range of the member subjected to shock wave type of blast load, was developed. The modification coefficient for the equivalent SDOF was determined through comparison with the analysis of a multi-degree of freedom (MDOF) system. The parameters influencing the equivalent SDOF system analysis were chosen as the boundary conditions of the member and the ratio of the duration of blast load to the natural period of the member. The modification coefficient was calculated based on the elastic load-mass transformation factor. The modification coefficient curve was derived using an elliptical equation to ensure it exists between the upper and lower parameter bounds. Using the modification coefficient on examples with varying cross sections and boundary conditions reduced the SDOF analysis error rate from 15% to 3%. This study shows that using the modification coefficient significantly improves the accuracy of SDOF analysis. The modification coefficient proposed in this study can be used for blast analysis.
When a roof frame is subjected to the airblast loading, the conventional way to analyze the damage of the frame or design the frame is to use single degree of freedom (SDOF) model. Although a roof frame consists of beams and girders, a typical SDOF analysis can be conducted only separately for each component. Thus, the rigid body motion of beams by deflections of supporting girders can not be easily considered. Neglecting the beam-girder interaction in the SDOF analysis may cause serious inaccuracies in the response values in both Pressure-Impulse curve (P-I) and Charge Weight-Standoff Diagrams (CWSD). In this paper, an inelastic two degrees of freedom (TDOF) model is developed, based on force equilibrium equations, to consider beam-girder interaction, and to assess if the modified SDOF analysis can be a reasonable design approach.
Ductility capacity is comprehensively studied for steel moment-resisting frames. Local, story and global ductility are being considered. An appropriate measure of global ductility is suggested. A time domain nonlinear seismic response algorithm is used to evaluate several definitions of ductility. It is observed that for one-story structures, resembling a single degree of freedom (SDOF) system, all definitions of global ductility seem to give reasonable values. However, for complex structures it may give unreasonable values. It indicates that using SDOF systems to estimate the ductility capacity may be a very crude approximation. For multi degree of freedom (MDOF) systems some definitions may not be appropriate, even though they are used in the profession. Results also indicate that the structural global ductility of 4, commonly used for moment-resisting steel frames, cannot be justified based on this study. The ductility of MDOF structural systems and the corresponding equivalent SDOF systems is studied. The global ductility values are very different for the two representations. The ductility reduction factor $F_{\mu}$ is also estimated. For a given frame, the values of the $F_{\mu}$ parameter significantly vary from one earthquake to another, even though the maximum deformation in terms of the interstory displacement is roughly the same for all earthquakes. This is because the $F_{\mu}$ values depend on the amount of dissipated energy, which in turn depends on the plastic mechanism, formed in the frames as well as on the loading, unloading and reloading process at plastic hinges. Based on the results of this study, the Newmark and Hall procedure to relate the ductility reduction factor and the ductility parameter cannot be justified. The reason for this is that SDOF systems were used to model real frames in these studies. Higher mode effects were neglected and energy dissipation was not explicitly considered. In addition, it is not possible to observe the formation of a collapse mechanism in the equivalent SDOF systems. Therefore, the ductility parameter and the force reduction factor should be estimated by using the MDOF representation.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.19-26
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2003
In energy-based design, the structures are generally transformed into equivalent SDOF systems to obtain the input and the dissipated energy. In this study the energy demands in multi-story structures were compared with that of equivalent single degree of freedom systems to validate the transformation method. Three-, eight-, and twenty-story steel moment-resisting frames and buckling restrained braced frames are compared with those of equivalent single degree of freedom systems. Sixty earthquake ground motions recorded in different soil conditions were used to compute the input and hysteretic energy demands in model structures. According to the analysis results, in 3 and 8-story structures the hysteretic energy demands computed in the equivalent SDOF structures are compatible with those computed in the original MDOF structures, while in the 20-story structures the transformed equivalent structures underestimated the hysteretic energy demands.
Acceleration time history (ATH) used in the seismic analysis should envelop a target power spectral density (PSD) function in addition to the design response spectrum in order to have sufficient energy at each frequency for the purpose of ensuring adequate load. Even though design regulations require the ATH used in seismic analysis to meet a target PSD function, the reason that ATHs meet to a target PSD function is not described. Thus, artificial ATHs for high PSD function and artificial ATHs for low PSD function are generated. And then elastic and inelastic single-degree-of-freedom (SDOF) systems are loaded with these artificial time histories as the earthquake load. As a result, linear response and inelastic response of SDOF systems are affected by PSD function.
The purpose of this study is to evaluate an effect of ground vibration caused by blasting on the concrete brick structure. For the purpose, dynamic response time-history of the structure assumed single degree of freedom (SDOF) system and vibration time-history directly measured from the structure were examined, using Newmark $\beta$ method based on data measured at ground. The time-history was interpreted from the measured data of ground and structure in single hole blasting. Vibration magnitude between ground vibration and structure in single hole blasting and 20 ms interval blasting was about three times and was shown larger vibration on the structure. By time-history analysis of structure dynamic response, the value was almost the same one with the data measured from the structure. It indicates that the vibration characteristics of structures may be predicted on the basis of the ground vibration data measured from the sub-ground of structure.
This study is aimed at providing an efficient analytical model to obtain pressure- impulse diagram of one-way reinforced concrete slabs subjected to different shapes of air blast loading using single degree of freedom method (SDOF). A tri-linear elastic perfectly plastic SDOF model has been used to obtain the pressure-impulse diagram to correlate the blast pressure and the corresponding concrete flexural damage. In order to capture the response history for the slab, a new approximately SDOF method based on the conventional SDOF method is proposed and validated using published test data. The influences of pulse loading shape on the pressure-impulse diagram are studied. Based on the results, a pressure-impulse diagram generation method using SDOF and an analytical equation for the pressure-impulse diagram is proposed to different damage levels and different blast loading shapes.
Many investigations have been conducted to find out the reason behind wind-rain-induced cable vibration in cable-stayed bridges. A single-degree-of-freedom (SDOF) analytical model, which could capture main features of wind-rain-induced cable vibration, was recently presented by the writers. This paper extends the SDOF model to a 2DOF model by including the equation of motion of upper rivulet. The interaction between the upper rivulet and the cable is described in terms of nonlinear damping force, linear restoring force, and inertia force. The computed results using the 2DOF model are first compared with the results from simulated wind-rain tunnel tests, and the comparison is found satisfactory in general. The possible mechanisms of wind-rain-induced cable vibration are discussed and a parametric study is then conducted. Finally, the computed results using the 2DOF model are compared with those predicted by the SDOF model. The 2DOF model is found better than the SDOF model but the SDOF model is still acceptable for its simplicity.
In this paper, a simplified seismic design method for low-rise dual frame-steel plate shear wall (SPSW) structures is proposed in the framework of performance-based seismic design. The dynamic response of a low-rise structure is mainly dominated by the first-mode and the structural system can be simplified to an equivalent single degree-of-freedom (SDOF) oscillator. The dual frame-SPSW structure was decomposed into a frame system and a SPSW system and they were simplified to an equivalent F-SDOF (SDOF for frame) oscillator and an equivalent S-SDOF (SDOF for SPSW) oscillator, respectively. The analytical models of F-SDOF and S-SDOF oscillators were constructed based on the OpenSees platform. The equivalent SDOF oscillator (D-SDOF, dual SDOF) for the frame-SPSW system was developed by combining the F-SDOF and S-SDOF oscillators in parallel. By employing the lateral force resistance coefficients and seismic demands of D-SDOF oscillator, the design approach of SPSW systems was developed. A 7-story frame-SPSW system was adopted to verify the feasibility and demonstrate the design process of the simplified method. The results also show the seismic demands derived by the equivalent dual SDOF oscillator have a good consistence with that by the frame-SPSW structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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