The ground acceleration measured at a point on the earth's surface is composed of several waves that have different phase velocities, arrival times, amplitudes, and frequency contents. For instance, body waves contain primary and secondary waves that have high frequency content and reach the site first. Surface waves are composed of Rayleigh and Love waves that have lower phase velocity, lower frequency content and reach the site next. Some of these waves could be of more damage to the structure depending on their frequency content and associated amplitude. This paper models critical earthquake loads for single-degree-of-freedom (SDOF) inelastic structures considering evolution of the seismic waves in time and frequency. The ground acceleration is represented as combination of seismic waves with different characteristics. Each seismic wave represents the energy of the ground motion in certain frequency band and time interval. The amplitudes and phase angles of these waves are optimized to produce the highest damage in the structure subject to explicit constraints on the energy and the peak ground acceleration and implicit constraints on the frequency content and the arrival time of the seismic waves. The material nonlinearity is modeled using bilinear inelastic law. The study explores also the influence of the properties of the seismic waves on the energy demand and damage state of the structure. Numerical illustrations on modeling critical earthquake excitations for one-storey inelastic frame structures are provided.
In this paper, a numerical simulation study was conducted on the seismic behavior and ductility demand of single-degree-of-freedom (SDOF) systems with partially self-centering hysteresis. Unlike fully self-centering systems, partially self-centering systems display noticeable residual displacement after unloading is completed. Such partially self-centering behavior has been observed in a number of recently researched self-centering structural systems with energy dissipation devices. It is thus of interest to examine the seismic performance such as ductility demand of partially self-centering systems. In this study, a modified flag-shaped hysteresis model with residual displacement is proposed to represent the hysteretic behavior of partially self-centering structural systems. A parametric study considering the effect of variations in post-yield stiffness ratio, energy dissipation coefficient, and residual displacement ratio on the displacement ductility demand of partially self-centering systems was conducted using a suite of 192 scaled ground motions. The results of this parametric study reveal that increasing the post-yield stiffness, energy dissipation coefficient or residual displacement ratio of the partially self-centering systems generally leads to reduced ductility demand, especially for systems with lower yield strength.
Quinde, Pablo;Reinoso, Eduardo;Teran-Gilmore, Amador;Ramos, Salvador
Earthquakes and Structures
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v.17
no.6
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pp.577-590
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2019
The seismic response of structures to strong ground motions is a complex problem that has been studied for decades. However, most of current seismic regulations do not assess the potential level of damage that a structure may undergo during a strong earthquake. This will happen in spite that the design objectives for any structural system are formulated in terms of acceptable levels of damage. In this article, we analyze the expected damage in single-degree-of-freedom systems subjected to long-duration ground motions generated in soft soil sites, such as those located in the lakebed of Mexico City. An energy-based methodology is formulated, under the consideration of input energy as the basis for the evaluation process, to estimate expected damage. The results of the proposed methodology are validated with damage curves established directly with nonlinear dynamic analyses.
To evaluate inelastic seismic responses of multi-span-bridge, the equivalent single-degree-of-freedom (ESDOF) methods and the lateral load distributions are applied to the capacity spectrum method(CSM). From the pushover analysis results using the four ESDOF methods and the six types lateral load distributions, the ESDOF method more than lateral load distribution is found to have an important influence upon the pushover analysis. The effects of the higher mode on the bridge seismic behaviors are also increased as the number of pier increase. Therefore, it can be concluded that lateral load distributions and ESDOF methods for reflection of higher mode effects should be considered in the seismic analysis of the bridge structural.
In seismic design and structural assessment using the displacement-based approach, real structures are simplified into equivalent single-degree-of-freedom systems with equivalent properties, namely period and damping. In this work, equations for the optimal pair of equivalent properties are derived using statistical procedures on equivalent linearization and defined in terms of the ductility ratio and initial period of vibration. The modified Clough hysteretic model and 30 artificial accelerograms, compatible with the acceleration spectra for firm and soft soils, defined by the Japanese Design Specifications for Highway Bridges are used in the analysis. The results obtained with the proposed equations are verified and their limitations are discussed.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.05a
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pp.438-441
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2006
Since the behavior of structural members subjected to blast load shows different responses, the effect of impulse as well as peak load should be considered in the damage analysis. The threshold on P-I diagram that causes specific damage level divides the diagram into the failure zone and the non-failure zones. In this study, numerical analysis is performed based on single-degree-of-freedom (SDOF) techniques to generate rational P-I diagram considering material non-linearity and dual failure modes (flexure and direct shear) of RC beams. From the comparison with existing test results it is concluded that proposed numerical method is good to derive failure mode of RC beam under blast load.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.296-303
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2004
In this study, equivalent linear damping and stiffness of a single-degree-of-freedom (SDOF) structure with a rotational friction damper are estimated using the result of experiments and compared with those obtained from non-linear time history analyses. First, the transfer function of the test model is constructed and then the equivalent stiffness and damping are calculated, using the half-power bandwidth (HPB) method. For comparative study, those properties are estimated based on stochastic theory in the time domain. Both equivalent linear systems identified from experiments and numerical analyses correspond well. Further, it is observed that there exists an optimal clamping force on the rotational friction damper from estimated equivalent damping.
Ha, Jeong Gon;Jo, Seong Bae;Park, Heon Joon;Kim, Dong Kwan;Kim, Dong Soo
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.5
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pp.285-293
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2016
Soil-foundation-structure interaction (SFSI) is one of the important issues in the seismic design for evaluating the exact behavior of the system. A seismic design of a structure can be more precise and economical, provided that the effect of SFSI is properly taken into account. In this study, a series of the dynamic centrifuge tests were performed to compare the seismic response of the single degree of freedom(SDOF) structure on the various types of the foundation. The shallow and pile foundations were made up of diverse mass and different conjunctive condition, respectively. The test specimen consisted of dry sand deposit, foundation, and SDOF structure in a centrifuge box. Several types of earthquake motions were sequentially applied to the test specimen from weak to strong intensity of them, which is known as a stage test. Results from the centrifuge tests showed that the seismic responses of the SDOF structure on the shallow foundation and disconnected pile foundation decreased by the foundation rocking. On the other hand, those on the connected pile foundation gradually increased with intensity of input motion. The allowable displacement of the foundation under the strong earthquake, the shallow and the disconnected pile foundation, have an advantage in dissipating the earthquake energy for the seismic design.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.1
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pp.95-111
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1998
In this study, the concepts and procedures of the seismic damage analysis methods are examined for both the element-level and the system-level. The seismic damage analysis at the element-level is performed for several example structures using existing method for structural elements or single-degree-of-freedom (SDOF) systems such as the Park and Ang method. In order to analyze seismic damage at the system-level, two types of procedures are used. In the first type of procedure, the system-level seismic responses can be estimated by using the system representative response method(SRRM), or the equivalent SDOF system response method (ESDOF-SRM). Then, the system-level seismic damage is analyzed from the system-level seismic responses using existing method for structural elements or SDOF systems. IN the second type of procedure, the system-level seismic damages are analyzed using the element damage combination method (EDCM) combing the element-level damage indices determined by existing method. To compare tendency of the seismic damage analysis using each methods, example analysis is accomplished for several cases of different structures and different earthquake excitation.
This study suggests a method for deriving earthquake response based on log-normal distribution in order to obtain realistic and reliable probability and statistical seismic response of structures. The development of three earthquake suites were presented, with a brief description of 2%, 10%, and 50% in 50 years probability of exceedance according the USGS Los Angeles probabilistic seismic hazard maps. In order to analyze the basic dynamic behavior, a Single-Degree-of-Freedom (SDOF) structure was selected and the seismic response spectrum representing the response of each natural period was plotted. Overall, the mean response values presented through the log-normal distribution is lower than the standard normal distribution. Thus, it is considered that the former method can be provided as the effective cost on performance-based seismic design more than the latter one.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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