Base isolation is a quite practical control strategy for enhancing the response of structural systems induced by strong ground motions. Due to the dynamic effects of base isolation systems, reduction in the interstory drifts of the superstructure is often achieved at the expense of high base displacement level, which may lead to instability of the structure or non-practical designs for the base isolators. To reduce the base displacement, several hybrid structural control strategies have been studied over the past decades. This study investigates a particular strategy that employs Tuned Mass Dampers (TMDs) for improving the performance of base-isolated structures and unlike previous studies, specifically focuses on the effectiveness of this hybrid control strategy in structures that are equipped with nonlinear base isolation systems. To consider the nonlinearities of base isolation systems, a Bouc-Wen model is selected and nonlinear dynamic OpenSees models are used to perform several time-history simulations in time and frequency domains. Through these numerical simulations, the effects of several parameters such as the fundamental period of the structure, dynamic properties of the TMD and isolation systems and properties of the input ground motion on the behaviour of TMD-structure-base isolation systems are examined. The results of this study provide a better insight into the performance of linear shear-story structures with nonlinear base isolators and show that there are many scenarios in which TMDs can still improve the performance of these systems.
In the past 20 years, seismic isolation has see a variety of applications in design of structures to mitigate seismic hazard. In particular, isolation has been seen as a means of achieving enhanced seismic performance objectives, such as those for hospitals, critical emergency response facilities, mass electronic data storage centers, and similar buildings whose functionality following a major seismic event is either critical to the public welfare or the financial solvency of an organization. While achieving these enhanced performance objectives is a natural (and oftentimes requisite) application of seismic isolation, little attention has been given to the extension of current design practice to isolated buildings which may have more conventional performance objectives. The development of a rational design methodology for isolated buildings requires thorough investigation of the behavior of isolated structures subjected to seismic input of various recurrence intervals, and which are designed to remain elastic only under frequent events. This paper summarizes these investigations, and proposed a consistent probabilistic framework within which any combination of performance objectives may be met. Analytical simulations are presented, the results are summarized. The intent of this work is to allow a building owner to make informed decisions regarding tradeoffs between superstructure performance (drifts, accelerations) and isolation system performance. Within this framework, it is possible to realize the benefits of designing isolated buildings for which the design criteria allows consideration of multiple performance goals.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.16
no.1
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pp.47-59
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2012
The seismic performance of masonry-infilled frame structures, typical in school buildings, is evaluated through equivalent strut models. A bare frame model, concentric strut models and eccentric strut models with various material characteristics available in the literature are analyzed. Displacements and damage states at the performance points obtained by the capacity spectrum method show great differences among the models. Infill walls act positively in concentric strut models and negatively in eccentric strut models at the performance points for a given seismic demand. In addition, the behavior at the ultimate displacements shows considerably different strengths, inter-story drifts, and numbers and locations of damaged members among various modeling methods and material strengths.
Shekastehband, Behzad;Azaraxsh, Ali A.;Showkati, Hossein
Steel and Composite Structures
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v.25
no.4
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pp.505-521
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2017
The steel plate shear wall with beam-only connected infill plate (SSW-BO) is an innovative lateral load resisting system consisting of infill plates connected to surrounding beams and separated from the main columns. In this research, the effects of perforation diameter as well as slenderness ratios of infill plates on the hysteresis behavior of SSW-BO systems were studied experimentally. Experimental testing is performed on eight one-sixth scaled one-story SSW-BO specimens with two plate thicknesses and four different circular opening ratios at the center of the panels under fully reversed cyclic quasi-static loading in compliance with the SAC test protocol. Strength, stiffness, ductility and energy absorption were evaluated based on the hysteresis loops. It is found that the systems exhibited stable hysteretic behavior during testing until significant damage in the connection of infill plates to surrounding beams at large drifts. It is also seen that pinching occurred in the hysteresis loops, since the hinge type connections were used as boundaries at four corners of surrounding frames. The strength and initial stiffness degradation of the perforated specimens containing opening ratio of 0.36 compared to the solid one is in the range of 20% to 30% and 40% to 50%, respectively.
Shaghaghian, Amir Hamzeh;Dehkordi, Morteza Raissi;Eghbali, Mahdi
Steel and Composite Structures
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v.28
no.6
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pp.691-708
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2018
An innovative Hybrid Passive Resistive configuration for Truss Girder Frames (HPR-TGFs) is introduced in the present study. The proposed system is principally consisting of Fluid Viscous Dampers (FVDs) and Buckling Restrained Braces (BRBs) as its seismic resistive components. Concurrent utilization of these devices will develop an efficient energy dissipating mechanism which is able to mitigate lateral displacements as well as the base shear, simultaneously. However, under certain circumstances which the presence of FVDs might not be essential, the proposed configuration has the potential to incorporate double BRBs in order to achieve the redundancy of alternative load bearing paths. This study is extending the modern Direct Displacement Based Design (DDBD) procedure as the design methodology for HPR-TGF systems. Based on a series of nonlinear time history analysis, it is demonstrated that the design outcomes are almost identical to the pre-assumed design criteria. This implies that the ultimate characteristics of HPR-TGFs such as lateral stiffness and inter-story drifts are well-proportioned through the proposed design procedure.
The optimization of the direct design system of semi-rigid steel frames using advanced analysis and genetic algorithm was presented. Advanced analysis can predict the combined nonlinear effects of connection, geometry, and material on the behavior and strength of semi-rigid frames. Geometric nonlinearity was determined using stability functions. On the other hand, material nonlinearity was determined using the Column Research Council (CRC) tangent modulus and parabolic function. The Kishi-Chen power model was used to describe the nonlinear behavior of semi-rigid connections. The genetic algorithm was used as the optimization technique. The objective function was assumed as the weight of the steel frame, with the constraint functions accounting for load-carrying capacities, deflections, inter-story drifts and ductility requirement. Member sizes determined by the proposed method were compared with those derived using the conventional method.
Five previously-tested reinforced concrete frames were modelled using a nonlinear finite element analysis procedure to demonstrate the accurate response simulations for seismically-deficient frames through pushover analyses. The load capacities, story drifts, and failure modes were simulated. This procedure accounts for the effects of shear failures and the shear-axial force interaction, and thus is suitable for modeling seismically-deficient frames. It is demonstrated that a comprehensive analysis method with a capability of simulating material constitutive response and significant second-order mechanisms is essential in achieving a satisfactory response simulation. It is further shown that such analysis methods are invaluable in determining the expected seismic response, safety, and failure mode of the frame structures for a performance-based seismic evaluation. In addition, a new computer program was developed to aid researchers and engineers in the direct displacement-based seismic design process by assessing whether a frame structure meets the code-based performance requirements by analyzing the analysis results. As such, the proposed procedure facilitates the performance-based design of new buildings as well as the numerical assessment and retrofit design of existing buildings. A sample frame analysis was presented to demonstrate the application and verification of the approach.
Ross, Andrew S.;El Damatty, Ashraf A.;El Ansary, Ayman M.
Wind and Structures
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v.21
no.5
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pp.537-564
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2015
Excessive motions in buildings cause occupants to become uncomfortable and nervous. This is particularly detrimental to the tenants and ultimately the owner of the building, with respect to financial considerations. Serviceability issues, such as excessive accelerations and inter-story drifts, are more prevalent today due to advancements in the structural systems, strength of materials, and design practices. These factors allow buildings to be taller, lighter, and more flexible, thereby exacerbating the impact of dynamic responses. There is a growing need for innovative and effective techniques to reduce the serviceability responses of these tall buildings. The current study considers a case study of a real building to show the effectiveness and robustness of the TLD in reducing the coupled lateral-torsional motion of this high-rise building under wind loading. Three unique multi-modal TLD systems are designed specifically to mitigate the torsional response of the building. A procedure is developed to analyze a structure-TLD system using High Frequency Force Balance (HFFB) test data from the Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory (BLWTL) at the University of Western Ontario. The effectiveness of the unique TLD systems is investigated. In addition, a parametric study is conducted to determine the robustness of the systems in reducing the serviceability responses. Three practical parameters are varied to investigate the robustness of the TLD system: the height of water inside the tanks, the amplitude modification factor, and the structural modal frequencies.
The effects of infill panels on the response of r.c. frames subjected to seismic action are widely recognized. Numerous experimental investigations were effected and several analytical models were developed on this subject. This work, which is part of a larger project dealing with specific materials and structures commonly used in Italy, discusses experimental tests on masonry and samples of bare and infilled portals. The experimental activity includes tests on elemental materials, and 12 wall samples. Finally, three one-bay one-story reinforced concrete frames, designed according to the outdated Italian technical code D.M. 1996 without seismic details, were tested (bare and infilled) under constant vertical and cyclic lateral load. The first cracks observed on the framed walls occurred at a drift of about 0.3%, reaching its maximum capacity at a drift of 0.5% while retaining its capacity up to a drift of 0.6%. Infill contributed to both the stiffness and strength of the bare reinforced concrete frame at small drifts thus improving overall system behavior. In addition to the experimental activities, previously mentioned, the recalibration of a model proposed by Comberscue (1996) was evaluated. The accuracy of an OpenSees non linear fiber based model of the prototype tested, including a strut element was verified through a comparison with the final experimental results. This work has been partially supported by research grant DPC-ReLUIS 2014.
Palacios-Quinonero, Francisco;Rubio-Massegu, Josep;Rossell, Josep M.;Rodellar, Jose
Smart Structures and Systems
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v.24
no.1
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pp.67-81
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2019
Rows of closely adjacent buildings with similar dynamic characteristics are common building arrangements in residential areas. In this paper, we present a vibration control strategy for the seismic protection of this kind of multibuilding systems. The proposed approach uses an advanced Linear Matrix Inequality (LMI) computational procedure to carry out the integrated design of distributed multiactuation schemes that combine interbuilding linking devices with interstory actuators implemented at different levels of the buildings. The controller designs are formulated as static output-feedback H-infinity control problems that include the interstory drifts, interbuilding approachings and control efforts as controlled-output variables. The advantages of the LMI computational procedure are also exploited to design a fully-decentralized velocity-feedback controller, which can define a passive control system with high-performance characteristics. The main ideas are presented by means of a system of three adjacent five-story identical buildings, and a proper set of numerical simulations are conducted to demonstrate the behavior of the different control configurations. The obtained results indicate that interstory-interbuilding multiactuation schemes can be used to design effective vibration control systems for adjacent buildings with similar dynamic characteristics. Specifically, this kind of control systems is able to mitigate the vibrational response of the individual buildings while maintaining reduced levels of pounding risk.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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