The effect of soil structure interaction (SSI) on seismic response of a multi-degree-of-freedom structure isolated with a friction pendulum system (FPS) is studied. In the analysis, the soil is considered as an elastic continuum and is modeled using the finite element method. The effect of SSI on response of the structure is evaluated for twenty far-field and twenty near-fault earthquake ground motions. The effect of friction coefficient of sliding material of FPS on SSI is also studied. The results of the study show that the seismic response of the structure increases for majority of the earthquake ground motions due to SSI. The sliding displacement and base shear are underestimated if SSI effects are ignored in the seismic analysis of structures isolated with FPS.
Based on the sliding isolation concrete LSS (liquid-storage structure), the specific seismic vulnerability is analyzed according to the general failure mode. In this study, 12 seismic inputs with different characteristics are used, and their acceleration peak values are modulated. By inputting these waves to the sliding isolation concrete storage structure, the finite-element models of different concrete rectangular LSSs are obtained and analyzed, and the failure probabilities are obtained according to the IDA (incremental dynamic analysis) curves of the structure. The results show that when the seismic acceleration peak value gradually increases from 0.1 g to 1.0 g, the failure probability of LSS gradually increases with the increase in friction coefficient. However, the failure probability of a sliding isolation LSS is less than 100% and far less than the failure probability of a non-isolated rectangular LSS, which shows that an isolated liquid storage structure continues working under a big earthquake. Thus, the sliding isolation for the concrete LSS has a significant damping effect.
To study the effectiveness of sliding isolation in a CRLSS (concrete rectangular liquid-storage structure) and develop a reasonable limiting-device method, dynamic responses of non-isolation, sliding isolation with spring limiting-devices and sliding isolation with steel bar limiting-devices are comparatively studied by shaking table test. The seismic response reduction advantage of sliding isolation for concrete liquid-storage structures is discussed, and the effect of the limiting-device type on system dynamic responses is analyzed. The results show that the dynamic responses of sliding isolation CRLSS with steel bar-limiting devices are significantly smaller than that of sliding isolation CRLSS with spring-limiting devices. The structure acceleration and liquid sloshing wave height are greatly influenced by spring-limiting devices. The acceleration of the structure in this case is close to or greater than that of a non-isolated structure. Liquid sloshing shows stronger nonlinear characteristics. On the other hand, sliding isolation with steel bar-limiting devices has a good control effect on the structural dynamic response and the liquid sloshing height simultaneously. Thus, a limiting device is an important factor affecting the seismic response reduction effect of sliding isolation. To take full advantage of sliding isolation in a concrete liquid-storage structure, a reasonable design of the limiting device is particularly important.
Under high velocity, pulse type near source earthquakes semi-active control systems are very effective in reducing seismic response base isolated structures. Semi-active control systems can be classified as: 1) independently variable stiffness, 2) independently variable damping, and 3) combined variable stiffness and damping systems. Several researchers have studied the effectiveness of independently varying damping systems for seismic response reduction of base isolated structures. In this study effectiveness of a combined system consisting of a semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device and a magnetorheological (MR) damper in reducing seismic response of base isolated structures is analytically investigated. The SAIVS device can vary the stiffness, and hence the period, of the isolation system; whereas, the MR damper enhances the energy dissipation characteristics of the isolation system. Two separate control algorithms, i.e., a nonlinear tangential stiffness moving average control algorithm for smooth switching of the SAIVS device and a Lyapunov based control algorithm for damping variation of MR damper, are developed. Single and multi degree of freedom systems consisting of sliding base isolation system and both the SAIVS device and MR damper are considered. Results are presented in the form of nonlinear response spectra, and effectiveness of combined variable stiffness and variable damping system in reducing seismic response of sliding base isolated structures is evaluated. It is shown that the combined variable stiffness and variable damping system leads to significant response reduction over cases with variable stiffness or variable damping systems acting independently, over a broad period range.
Presented in this paper is the behaviour of asymmetric building isolated by the double variable frequency pendulum isolator (DVFPI). The DVFPI is an adoption of single variable frequency pendulum isolator (VFPI). The geometry and coefficient of friction of top and bottom sliding surfaces can be unequal. The governing equations of motion of the building-isolation system are derived and solved in incremental form. The analysis duly considers the interaction of frictional forces in the two principal directions developed at each sliding surface of the DVFPI. In order to investigate the behaviour of the base isolation using the DVFPI, the coupled lateral-torsional response is obtained under different parametric variations for a set of six far-fault earthquake ground motions and criterion to optimize its performance is proposed. Further, influences of the initial time period, coefficient of friction and frequency variation factors at the two sliding surfaces are investigated. The numerical results of the extensive parametric study help in understanding the torsional behaviour of the structure isolated with the double sliding surfaces as in the DVFPI. It is found that the performance of the DVFPI can be optimized by designing the top sliding surface initially softer and smoother relative to the bottom one.
Near-fault ground motions are characterized by high values of the ratio between the peak of vertical and horizontal ground accelerations, which can significantly affect the nonlinear response of a base-isolated structure. To check the effectiveness of different base-isolation systems for retrofitting a r.c. framed structure located in a near-fault area, a numerical investigation is carried out analyzing the nonlinear dynamic response of the fixed-base and isolated structures. For this purpose, a six-storey r.c. framed building is supposed to be retrofitted by insertion of an isolation system at the base for attaining performance levels imposed by current Italian code in a high-risk seismic zone. In particular, elastomeric (e.g., high-damping-laminated-rubber bearings, HDLRBs) and friction (e.g., steel-PTFE sliding bearings, SBs, or friction pendulum bearings, FPBs) isolators are considered, with reference to three cases of base isolation: HDLRBs acting alone (i.e., EBI structures); in-parallel combination of HDLRBs and SBs (i.e., EFBI structures); FPBs acting alone (i.e., FPBI structures). Different values of the stiffness ratio, defined as the ratio between the vertical and horizontal stiffnesses of the HDLRBs, sliding ratio, defined as the global sliding force divided by the maximum sliding force of the SBs, and in-plan distribution of friction coefficient for the FPs are investigated. The EBI, EFBI and FPBI base-isolation systems are designed assuming the same values of the fundamental vibration period and equivalent viscous damping ratio. The nonlinear dynamic analysis is carried out with reference to near-fault earthquakes, selected and scaled on the design hypotheses adopted for the test structures.
Variable Curvature Friction Pendulum (VCFP) bearing is one of the alternatives to control excessive induced responses of isolated structures subjected to near-fault ground motions. The curvature of sliding surface in this isolator is varying with displacement and its function is non-spherical. Selecting the most appropriate function for the sliding surface depends on the design objectives and ground motion characteristics. To date, few polynomial functions have been experimentally tested for VCFP however it needs comprehensive parametric study to find out which one provides the most effective behavior. Herein, seismic performance of the isolated structure mounted on VCFP is investigated with two different polynomial functions of the sliding surface (Order 4 and 6). By variation of the constants in these functions through changing design parameters, 120 cases of isolators are evaluated and the most proper function is explored to minimize floor acceleration and/or isolator displacement under different hazard levels. Beside representing the desire sliding surface with adaptive behavior, it was shown that the polynomial function with order 6 has least possible floor acceleration under seven near-field ground motions in different levels.
본 연구는 지진격리장치의 일종인 마찰 단진자 시스템(FPS)의 교량에의 적용에 관한 연구이다. FPS에 의하여 지진 격리된 교량과 지진 격리되지 않은 교량의 지진하중 작용시의 응답을 비교하기 위하여 축소모델 교량을 이용한 진동대 실험을 수행하였다. 연구결과, 본 장치를 설치한 경우 지진하중에 대한 지지능력이 향상하는 것으로 나타났다. 또한, 활동면 곡류반경에 의해 조절이 가능한 F.P.S 베어링의 강성은 입력된 kwlsfur의 강도와는 무관하며, 활동면의 마찰계수에 따라 속도가 변화하여 약진시에는 활동면에서의 속도가 작으므로 강진시와 비교하여 지진하중에 의하여 발생하는 마찰력도 감소하게 되었다. 한편 F.P.S 베어링의 마찰특성은 반복된 실험에서도 변화하지 않았고, 영구변형은 약적으로도 작았을 뿐만 아니라 누적되지도 않았다.
Previous studies have shown that pile-soil interactions have significant influences on the isolation efficiency of an isolated structure. However, most of the existing tests were carried out using a 1-g shaking table, which cannot reproduce the soil stresses resulting in distortion of the simulated pile-soil interactions. In this study, a centrifuge shaking table modelling of the seismic responses of a friction pendulum bearing isolated structure with a pile foundation under earthquakes were conducted. The pile foundation structure was designed and constructed with a scale factor of 1:100. Two layers of the foundation soil, i.e., the bottom layer was made of plaster and the upper layer was normal soil, were carefully prepared to meet the similitude requirement. Seismic responses, including strains, displacement, acceleration, and soil pressure were collected. The settlement of the soil, sliding of the isolator, dynamic amplification factor and bending moment of the piles were analysed to reveal the influence of the soil structure interaction on the seismic performance of the structure. It is found that the soil rotates significantly under earthquake motions and the peak rotation is about 0.021 degree under 24.0 g motions. The isolator cannot return to the initial position after the tests because of the unrecoverable deformation of the soil and the friction between the curved surface of the slider and the concave plate.
The study aims to investigate the pounding that occurs between the isolator's ring and slider of isolated structures resulting from excessive seismic excitation, while considering soil-structure interaction. The dynamic responses and poundings of structures subjected a series seismic records were comparatively analyzed for three different soil types and fixed-base structures. A series of parametric studies were conducted to thoroughly discuss the effects of the impact displacement ratio, the FPB friction coefficient ratio, and the radius ratio on the structural dynamic response when considering impact and SSI. It was found that the pounding is extremely brief, with an exceptionally large pounding force generated by impact, resulting in significant acceleration pulse. The acceleration and inter-story shear force of the structure experiencing pounding were greater than those without considering pounding. Sudden changes in the inter-story shear force between the first and second floors of the structure were also observed. The dynamic response of structures in soft ground was significantly lower than that of structures in other ground conditions under the same conditions, regardless of the earthquake wave exciting the structure. When the structure is influenced by pulse-type earthquake records, its dynamic response exhibits a trend of first intensifying and then weakening as the equivalent radius ratio and friction coefficient ratio increase. However, it increases with an increase in the pounding displacement ratio, equivalent radius ratio, friction coefficient ratio, and displacement ratio when the structures are subjected to non-pulse-type seismic record.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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