Aseismic smart building isolation systems under multi-level earthquake excitations: Part I, conceptual design and nonlinear analysis

Abstract

As a novel structural control strategy, tuned mass damper (TMD) inspired passive and semi-active smart building isolation systems are suggested to reduce structural response and thus mitigate structural damage due to earthquake excitations. The isolated structure’s upper stories can be utilized as a large scaled TMD, and the isolation layer, as a core design point, between the separated upper and lower stories entails the insertion of rubber bearings and (i) viscous dampers (passive) or (ii) resettable devices (semi-active). The seismic performance of the suggested isolation systems are investigated for 12-story reinforced concrete moment resisting frames modeled as “10+ 2” stories and “8+ 4” stories. Passive viscous damper or semi-active resettable devices are parametrically evaluated through the optimal design principle of a large mass ratio TMD. Statistical performance metrics are presented for 30 earthquake records from the three suites of the SAC project. Based on nonlinear structural models, including P-delta effects and modified Takeda hysteresis, the inelastic time history analyses are conducted to compute the seismic performances across a wide range of seismic hazard intensities. Results show that semi-active smart building isolation systems can effectively manage seismic response for multi-degree-of freedom (MDOF) systems across a broader range of ground motions in comparison to uncontrolled case and passive solution.

Keywords

tuned mass damper / smart building isolation / resettable device / non-linear / statistical assessment

References

[1] Jagadish K S, Prasad B K R, Rao P V. Inelastic vibration absorber subjected to earthquake ground motions. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1979, 7(4): 317–326

[2] Miyama T. Seismic response of multi-story frames equipped with energy absorbing story on its top. In: Proceedings of the10th World Conference of Earthquake Engineering. Madrid, Spain, 1992, VII: 4201–4206

[3] Villaverde R. Aseismic roof isolation system: Feasibility study with 13-story building. Journal of Structural Engineering, 2002, 128(2): 188–196

[4] Charng P H. Base isolation for multistorey building structures. Dissertation for the Doctoral Degree. Christchurch: University of Canterbury, 1998

[5] Pan T C, Ling S F, Cui W. Seismic response of segmental buildings. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1995, 24(7): 1039–1048

[6] Pan T C, Cui W. Response of segmental buildings to random seismic motions. ISET Journal of Engineering Technology, 1998, 35(4): 105–112

[7] Murakami K, Kitamura H, Ozaki H, Teramoto T. Design and analysis of a building with the middle-story isolation structural system. In: Proceedings of the 12th World Conference of Earthquake Engineering. Auckland, New Zealand, Paper No. 0857, 2000

[8] Sueoka T, Torii S, Tsuneki Y. The Application of Response Control Design Using Middle-Story Isolation System to High-Rise Building. In: Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering. Vancouver, Canada, Paper No. 3457, 2004

[9] Kawamura S, Sugisaki R, Ogura K, Maezawa S, Tanaka S, Yajima A. Seismic isolation retrofit in Japan. In: Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering. Auckland, New Zealand, Paper No. 2523, 2000

[10] Zhou F L, Yang Z, Liu W G, Tan P. New seismic isolation system for irregular structure with the largest isolation building area in the world. In: Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering. Vancouver, Canada, Paper No. 2349, 2004

[11] De Angelis M, Perno S, Reggio A. Dynamic response and optimal design of structures with large mass ratio TMD. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2012, 41(1): 41–60

[12] Anh N D, Nguyen N X. Extension of equivalent linearization method to design of TMD for linear damped systems. Structural Control and Health Monitoring, 2012, 19(6): 565–573

[13] Miranda J C. A method for tuning tuned mass dampers for seismic applications. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2012, 42(7): 1003–1010

[14] Moutinho C. An alternative methodology for designing tuned mass dampers to reduce seismic vibrations in building structures. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2012, 41(14): 2059–2073

[15] Wang Z, Chen Z, Wang J. Feasibility study of a large-scale tuned mass damper with eddy current damping mechanism. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2012, 11(3): 391–401

[16] Chey M H, Chase J G, Mander J B, Carr A J. Semi-active tuned mass damper building systems: Design. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2010, 39(2): 119–139

[17] Chey M H, Chase J G, Mander J B, Carr A J. Semi-active tuned mass damper building systems: Application. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2010, 39(1): 69–89

[18] Chey M H, Chase J G, Mander J B, Carr A J. Innovative seismic retrofitting strategy of added stories isolation system. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2013, 7(1): 13–23

[19] Jury R D. Seismic load demands on columns of reinforced concrete multistorey frames. ME Thesis, Christchurch: University of Canterbury, 1978

[20] NZS4203. New Zealand Standard. Code of Practice for General Structural Design and Design Loadings for Buildings. Standards Association of New Zealand (SANZ), 1976

[21] Paulay T. Moment redistribution in continuous beams of eqrthquake resistant multistorey reinforced concrete frames. Bulletin of the New Zealand National Society of Earthquake Engineering, 1976, 9(4): 205–212

[22] Thomson E D. P-delta effects in ductile reinforced concrete frames under seismic loading. Christchurch: University of Canterbury, 1991

[23] NZS4203. New Zealand Standard. Code of Practice for General Structural Design and Design Loadings for Buildings.Standards Association of New Zealand (SANZ), 1992

[24] Carr A J. RUAUMOKO” Computer Program Library. Christchurch: University of Canterbury, 2007

[25] Chase J G, Mulligan K J, Gue A, Alnot T, Rodgers G, Mander J B, Elliott R, Deam B, Cleeve L, Heaton D. Re-shaping hysteretic behaviour using semi-active resettable device dampers. Engineering Structures, 2006, 28(10): 1418–1429

[26] Mulligan K, Chase J, Gue A, Mander J, Alnot T, Deam B, Rodgers G, Cleeve L, Heaton D. Resetable devices with customised performance for semi-active seismic hazard mitigation of structures. In: Proceedings of NZ Society for Earthquake Engineering Conference. 11−13 March, 2005, Wairakei, New Zealand, 2005

[27] Mulligan K, Chase J, Mander J, Elliot R. Semi-active resetable actuators incorporating a high pressure air source. In: Proceedings of NZ Society for Earthquake Engineering Conference. 30 March 1 April, Palmerston North, New Zealand, 2007

[28] Barroso L R. Performance evaluation of vibration controlled steel structures under seismic loading. Dissertation for the Doctoral Degree. Stanford: Stanford University, 1999

[29] Breneman S E. Design of active control systems for multi-level seismic resistance. Dissertation for the Doctoral Degree. Stanford: Stanford University, 2000

[30] Otani S. AKE, A Computer Program for Inelastic Response of R/C Frames to Earthquakes. Report UILU-Egn-74−2029, Civil Engineering Studies, University of Illinois at Urbana Champaign, 1974

[31] Emori K, Schnobrich W C. Analysis of Reinforced Concrete Frame-Wall Structures for Strong Motion Earthquakes. Structural Research Series, No. 434, University of Illinois at Urbana Champaign, 1978

[32] Kanaan A E, Powell G H. General Purpose Computer Program for Inelastic Dynamic Response of Plane Structures. Report No. EERC 73−6, University of California at Berkeley, 1973

[33] Sommerville P, Smith N, Punyamurthula S, Sun J. Development of ground motion time histories for Phase II of the FEMA/SAC steel project. SAC Back-ground Document Report No. SAC/BD-97/04, 1997

[34] Hunt S J. Semi-active smart-dampers and resetable actuators for multi-level seismic hazard mitigation of steel moment resisting frames. ME Thesis, Christchurch: University of Canterbury, 2002

[35] Limpert E, Stahel W A, Abbt M. Log-normal distributions across the sciences: Keys and clues. Bioscience, 2001, 51(5): 341–352

[36] Kennedy R P, Cornell C A, Campbell R D, Kaplan S, Perla H F. Probabilistic seismic safety study of an existing nuclear-power plant. Nuclear Engineering and Design, 1980, 59(2): 315–338

[37] Gupta A, Krawinkler H. Estimation of seismic drift demands for frame structures. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2000, 29(9): 1287–1305

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg