In this paper, an analytical study was carried out to propose an optimum base-isolated system for the design of steel structures equipped with lead rubber bearings (LRB). For this, 5 and 10-storey steel moment resisting frames (MRFs) were designed as Special Moment Frame (SMF). These two-dimensional and three-bay frames equipped with a set of isolation systems within a predefined range that minimizes the response of the base-isolated frames subjected to a series of earthquakes. In the design of LRB, two main parameters, namely, isolation period (T) and the ratio of strength to weight (Q/W) supported by isolators were considered as 2.25, 2.5, 2.75 and 3 s, 0.05, 0.10 and 0.15, respectively. The Force-deformation behavior of the isolators was modelled by the bi-linear behavior which could reflect the nonlinear characteristics of the lead-plug bearings. The base-isolated frames were modelled using a finite element program and those performances were evaluated in the light of the nonlinear time history analyses by six natural accelerograms compatible with seismic hazard levels of 2% probability of exceedance in 50 years. The performance of the isolated frames was assessed in terms of roof displacement, relative displacement, interstorey drift, absolute acceleration, base shear and hysteretic curve.
A reinforced concrete (RC) framed structure detailed according to non-seismic detailing provisions as per Indian Standard was tested on shake table under dynamic loads. The structure had 3 main storeys and an additional storey to simulate the footing to plinth level. In plan the structure was symmetric with 2 bays in each direction. In order to optimize the information obtained from the tests, tests were planned in three different stages. In the first stage, tests were done with masonry infill panels in one direction to obtain information on the stiffness increase due to addition of infill panels. In second stage, the infills were removed and tests were conducted on the structure without and with tuned liquid dampers (TLD) on the roof of the structure to investigate the effect of TLD on seismic response of the structure. In the third stage, tests were conducted on bare frame structure under biaxial time histories with gradually increasing peak ground acceleration (PGA) till failure. The simulated earthquakes represented low, moderate and severe seismic ground motions. The effects of masonry infill panels on dynamic characteristics of the structure, effectiveness of TLD in reducing the seismic response of structure and the failure patterns of non-seismically detailed structures, are clearly brought out. Details of design and similitude are also discussed.
This paper addresses two main issues relevant to the structural assessment of buildings subjected to explosions. The first issue regards the robustness evaluation of steel frame structures: a procedure is provided for computing "robustness curves" and it is applied to a 20-storey steel frame building, describing the residual strength of the (blast) damaged structure under different local damage levels. The second issue regards the precise evaluation of blast pressures acting on structural elements using Computational Fluid Dynamic (CFD) techniques. This last aspect is treated with particular reference to gas explosions, focusing on some critical parameters (room congestion, failure of non-structural walls and ignition point location) which influence the development of the explosion. From the analyses, it can be deduced that, at least for the examined cases, the obtained robustness curves provide a suitable tool that can be used for risk management and assessment purposes. Moreover, the variation of relevant CFD analysis outcomes (e.g., pressure) due to the variation of the analysis parameters is found to be significant.
Di Ludovico, M.;Balsamo, A.;Prota, A.;Manfredi, G.
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.6
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pp.727-747
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2008
In the framework of the SPEAR (Seismic PErformance Assessment and Rehabilitation) research Project, an under-designed three storey RC frame structure, designed to sustain only gravity loads, was subjected, in three different configurations 'as-built', Fiber Reinforced Polymer (FRP) retrofitted and rehabilitated by reinforced concrete (RC) jacketing, to a series of bi-directional pseudodynamic (PsD) tests under different values of peak ground acceleration (PGA) (from a minimum of 0.20g to a maximum of 0.30g). The seismic deficiencies exhibited by the 'as-built' structure after the test at PGA level of 0.20g were confirmed by a post - test assessment of the structural seismic capacity performed by a nonlinear static pushover analysis implemented on the structure lumped plasticity model. To improve the seismic performance of the 'as-built' structure', two rehabilitation interventions by using either FRP laminates or RC jacketing were designed. Assumptions for the analytical modeling, design criteria and calculation procedures along with local and global intervention measures and their installation details are herein presented and discussed. Nonlinear static pushover analyses for the assessment of the theoretical seismic capacity of the structure in each retrofitted configuration were performed and compared with the experimental outcomes.
This paper proposes a structural damage identification approach based on the power spectral density transmissibility (PSDT), which is developed to formulate the relationship between two sets of auto-spectral density functions of output responses. The accuracy of response reconstruction with PSDT is investigated and the damage identification in structures is conducted with measured acceleration responses from the damaged state. Numerical studies on a seven-storey plane frame structure are conducted to investigate the performance of the proposed damage identification approach. The initial finite element model of the structure and measured acceleration measurements from the damaged structure are used for the identification with a dynamic response sensitivity-based model updating method. The simulated damages can be identified accurately without and with a 5% noise effect included in the simulated responses. Experimental studies on a steel plane frame structure in the laboratory are performed to further verify the accuracy of response reconstruction with PSDT and validate the proposed damage identification approach. The locations of the introduced damage are detected accurately and the stiffness reductions in the damaged elements are identified close to the true values. The identification results demonstrated the accuracy of response reconstruction as well as the correctness and efficiency of the proposed damage identification approach.
The intensity of a ground motion can be measured by a number of parameters, some of which might exhibit robust correlations with the damage of structures subjected to that motion. In this study, 204 near-fault pulse-type records are selected and their seismic parameters are determined. Time history and damage analyses of a tested 3-storey reinforced concrete frame representing for low-rise reinforced concrete buildings subjected to those earthquake motions are performed after calibration and comparison with the available experimental results. The aim of this paper is to determine amongst several available seismic parameters, the ones that have strong correlations with the structural damage measured by a damage index and the maximum inter-story drift. The results show that Velocity Spectrum Intensity is the leading parameter demonstrating the best correlation, followed by Housner Intensity, Spectral Acceleration and Spectral Displacement. These seismic parameters are recommended as reliable parameters of near-fault pulse-type motions related to damage potential of low-rise reinforced concrete structures. The results also reaffirm that the conventional and widely used parameter of Peak Ground Acceleration does not exhibit a good correlation with the structural damage.
Nonlinear Static Procedures (NSPs) have been developed as a practical tool to estimate the seismic demand of structures. Several researches have accomplished to minimize errors of NSPs, namely pushover procedures, in the Nonlinear Time History Analysis (NTHA), as the most exact method. The most important issue in a typical pushover procedure is the pattern and technique of loading which are extracted based on structural dynamic fundamentals. In this paper, the coefficients of modal force combination is focused involving a meta-heuristic optimization algorithm to find the optimum load pattern which results in a response with minimum amount of errors in comparison to the NTHA counterpart. Other parameters of the problem are based on the FEMA recommendations for pushover analysis of building structures. The proposed approach is implemented on a high-rise 20 storey concrete moment resisting frame under three earthquake records. In order to demonstrate the effectiveness and robustness of the studied procedure the results are presented beside other well-known pushover methods such as MPA and the FEMA procedures, and the results show the efficiency of the proposed load patterns.
In this paper, the effects of different types of irregularity along the height on the seismic responses of moment resisting frames are investigated using nonlinear dynamic analysis. Furthermore, the applicability of consecutive modal pushover (CMP) procedure for computing the seismic demands of vertically irregular frames is studied and the advantages and limitations of the procedure are elaborated. For this purpose, a special moment resisting steel frame of 10-storey height was selected as reference regular frame for which the effect of higher modes is important. Forty vertically irregular frames with stiffness, strength, combined-stiffness-and-strength and mass irregularities are created by applying two modification factors (MF=2 and 4) in four different locations along the height of the reference frame. Seismic demands of irregular frames are computed by using the nonlinear response history analysis (NL-RHA) and CMP procedure. Modal pushover analysis (MPA) method is also carried out for the sake of comparison. The effect of different types of irregularity along the height on the seismic demands of vertically irregular frames is investigated by studying the results obtained from the NL-RHA. To demonstrate the accuracy of the enhanced pushover analysis methods, the results derived from the CMP and MPA are compared with those obtained by benchmark solution, i.e., NL-RHA. The results show that the CMP and MPA methods can accurately compute the seismic demands of vertically irregular buildings. The methods may be, however, less accurate especially in estimating plastic hinge rotations for weak or weak-and-soft top and middle storeys of vertically irregular frames.
The elastic seismic response of plan-asymmetric multi storey steel-frame buildings is investigated under earthquake loading with particular emphasis on forward-rupture directivity and fling records. Three asymmetric building systems are generated with different torsional stiffness and varying static eccentricity. The structural characteristic of these systems are designed according to UBC 97 code and their seismic responses subjected to a set of earthquake records are obtained from the response history analysis (RHA) as well as the linear static analysis (LSA). It is shown that, the elastic torsional response is influenced by the intensity of near-fault ground motions with different energy contents. In the extreme case of very strong earthquakes, the behaviour of torsionally stiff buildings and torsionally flexible buildings may differ substantially due to the fact that the displacement envelope of the deck depends on ground motion characteristics.
Base isolation, having quite simple contents, aims to protect the buildings from earthquake-induced damages by installing structural components having low horizontal stiffness between substructure and superstructure. In this study, an appropriate base isolation system for 2-D reinforced concrete frame is investigated. For different structural heights, the structural systems of 2, 3 and 4 bays are modeled by applying base isolation systems and results are compared with conventional structural systems. 1999 Marmara earthquake data is used for applying the model by time history method in SAP2000 package. Results of various parameters such as base shear force, structure drift ratio, structure period and superstructure acceleration are discussed for all models.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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