Seismic performance of a base isolated structure in time-frequency domain with wavelet transform

Year 2024, Volume: 30 Issue: 2, 228 - 239, 30.04.2024

Ahmet Özenir , Kemal Beyen

Abstract

In this study, structural characteristics and response characteristics of a base isolated building are evaluated in Time-Frequency domain. Structure story responses and earthquake data set were recorded by the accelerometer network during the 1994 Northridge earthquake. Time-frequency domain continuous wavelet transform is used to monitor the variations of structural frequencies in time. In accordance with the efficiency of the base isolation, reduction of significant energy transmission to upper structure in the higher frequency range is traced instantaneously. The seismic base isolation performance of the observed structure can be identified and understood clearly in the time-frequency domain also. It has been observed that the time-frequency analysis is a very efficient method in terms of showing the variations of the earthquake effect and the behavior kinematics and design forces in the superstructure in time and frequency domain.

Keywords

Time-Frequency domain analysis, Base isolation, Wavelet transform, Structural health monitoring

Taban yalıtımlı bir binanın deprem davranışının zaman-frekans ortamında dalgacık dönüşümü yöntemiyle araştırılması

Abstract

Bu çalışmada sismik taban yalıtımlı bir yapıda katlara yerleştirilmiş ivmeölçerler tarafından 1994 Northridge depreminde elde edilen ivme kayıtları kullanılarak yapı davranışı Zaman-Frekans analizi yaklaşımıyla belirlenmeye çalışılmıştır. Çalışmada zaman-frekans ortamında sürekli dalgacık dönüşümü yöntemi kullanılarak yapı dinamik özelliklerinin zaman içerisindeki değişimleri gözlenmiştir. Buna göre, sismik taban yalıtımının etkisi ile kuvvetli yer hareketinin önemli miktarda enerji içeriğine sahip yüksek frekanslı bileşenlerinin üst yapıya aktarımının belirgin bir şekilde azaldığı anlık olarak izlenmiştir. Taban yalıtımlı yapıda deprem etkisinin ve üst yapıdaki davranış kinematiğinin ve tasarım kuvvetlerinin değişimlerini zaman ve frekans ortamlarında vermesi yapı davranışının frekans muhteviyatının zamanla nasıl değiştiğini göstermesi açısından etkin bir yöntem olduğu görülmüştür.

Keywords

Zaman-Frekans analizi, Taban yalıtımı, Dalgacık dönüşümü, Yapı sağlığı ve izleme

References

• [1] Flandrin P. Explorations in Time-Frequency Analysis. 1st Ed. Cambridge, UK, Cambridge University Press, 2018.
• [2] Beyen K. “Damage identification of a historical masonry structure in T-F domain”. Teknik Dergi, 32(2), 10577-10610, 2021.
• [3] Beyen K. “Hasar tanılama analizlerinde frekans-zaman çözümlemesi”. 5. International Earthquake Symposium, Kocaeli, Türkiye, 10-12 Haziran 2015.
• [4] Beyen K., “Fatih Camii’nin zaman ve frekans ortamında çevresel ve deprem tepki analizleri”. 6. Tarihi Yapıların Korunması ve Güçlendirilmesi Sempozyumu, Trabzon, Türkiye, 02-04 Kasım 2017.
• [5] Beyen K. “Yapı tanılama çalışmalarında fourier dönüşümü ve yeni nesil dönüşümler”. 6. International Earthquake Symposium, Kocaeli, Türkiye, 25-27 Eylül 2019.
• [6] Sak FÖ, Beyen K. “Hasar tanılamasında istatistiki değerlendirme yönlendirme yöntemlerinin zaman-frekans ortamında irdelenmesi”. 5. International Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Ankara, Türkiye, 8-11 Ekim 2019.
• [7] Sak FÖ, Beyen K. “Yapıların zaman-frekans ortamında dalgacık dönüşümü metoduyla hasar analizleri”. Teknik Dergi, 30(4), 8835-8860, 2019.
• [8] Kijewski T, Kareem A. “Efficacy of hilbert and wavelet transforms for time-frequency analysis”. Journal of Engineering Mechanics, 132(10), 1037-1049, 2006.
• [9] Misiti M, Misiti Y, Oppengeim G, Poggi JM. Wavelet Toolbox R2020a. 1st ed. Natick, USA, Mathworks, 2020.
• [10] Cohen L. Time-Frequency Analysis. 1st ed. New Jersey, USA, Prentice-Hall PTR, 1995.
• [11] Alp H, Akıncı TÇ, Albora M. “Jeofizik uygulamalarda fourier ve dalgacık dönüşümlerinin karşılaştırılması”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(1), 67-76, 2008.
• [12] Fugal DL. Conceptual Wavelets in Digital Signal Processing an in-depth Practical Approach for the Non-Mathematician. 1st ed. California, USA, Space and Signals Technical Publishing, 2009.
• [13] Feldman M. “Hilbert transform in vibration analysis”. Mechanical Systems and Signal Processing, 25(1), 735-802, 2011.
• [14] Huang NE, Shen Z, Long SR, Wu MC, Shih HH, Zheng Q, Yen NC, Tung CC, Liu HH. “The empirical mode decomposition and the hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time analysis”. The Royal Society Press, 454(1971), 903-995,1998.
• [15] Carmona RA, Hwang WL, Torresani B. “Characterization of signals by the ridges of their wavelet transforms”. IEEE Transactions of Signal Processing, 45(10), 2586-2590, 1997.
• [16] Carmona RA, Hwang WL, Torresani B. “Multiridge detection and time-frequency reconstruction”. IEEE Transactions of Signal Processing, 47(2), 480-491, 1999.
• [17] Ruzzene M, Fasana A, Garibaldi L, Piombo B. “Natural frequencies and damping identification using wavelet transform: Application to real data”. Mechanical Systems and Signal Processing, 11(2), 207-218, 1997.
• [18] Staszewski WJ. “Identification of non-linear systems using multi-scale ridges and skeletons of the wavelet transform”. Journal of Sound and Vibration, 214(4), 639-658, 1998.
• [19] Kijewski T, Kareem A. “Wavelet transforms for system identification in civil engineering”. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2003(18), 339-355, 2003.
• [20] Staszewski WJ. “Identification of damping in mdof systems using time-scale decomposition”. Journal of Sound and Vibration, 203 (2), 283-305, 1997.
• [21] Lily JM, Olhede, SC. “Generalized morse wavelets as a superfamily of analytic wavelets”. IEEE Transactions of Signal Processing, 60(11), 6036-6041, 2012.
• [22] Erdik M, Ülker Ö, Şadan B, Tüzün C. “Seismic isolation code developments and significant applications in Turkey”. Soil Dynamics and Eartquake Engineering, 115(32), 413-437, 2018.
• [23] Özer E, İnel M. “Sismik izolatörlerin betonarme konut binasının performansı üzerindeki etkileri”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 27(3), 303-311, 2021.
• [24] Dao ND. Seismic response of a full-scale 5-story steel frame building isolated by triple pendulum bearings under 3D excitations. Phd Thesis, University of Nevado, Reno, USA, 2012.
• [25] Skinner RI, Kelly TE, Robinson BWH. “Seismic isolation for designers and structural engineers”. Robinson Seismic Ltd &Holmes Consulting Group, Wellington, New Zealand, Technical Report, 387, 2011.
• [26] Afet ve Acil Durum Başkanlığı. “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği”. Ankara, Türkiye, Yönetmelik, 2019.
• [27] American Society of Civil Engineers. “Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures”. Reston Virgina, USA, ASCE/SEI 7-16, 2016.
• [28] New Zeland Society for Earthquake Engineering. “Guideline for the Design of Seismic Isolation Systems for Buildings”. Christchurch, New Zealand, Techical Report, 2019.
• [29] Meral E. “Determination of seismic isolation effects on irregular RC building using friction pendulums”. Structures, 34(239), 3436-3452, 2021.
• [30] Özer E, İnel M, Çaycı BT. “Seismic behaviour of LRB and FPS type isolators considering torsional effects”. Structures, 37(20), 267-283, 2022.
• [31] Alhan C, Ozgur M. “Seismic responses of base-isolated buildings: efficacy of equivalent linear modeling under near-fault earthquakes”. Smart Structures and Systems, 15(6), 1439-1461, 2015.
• [32] US Geological Survey, California Geological Survey. “Center for Engineering Strong Motion Data”. https://www.strongmotioncenter.org/index.html (05.03.2022).
• [33] Nagarajaiah S, Xiaohong S. “Response of base-isolated USC hospital building in northridge earthquake”. Journal of Structural Engineering, 126(10), 1177-1186, 2000.
• [34] Mehmet Ç, “Successful performance of a base-isolated hospital building during the 17 January 1994 Northridge Earthquake”. The Structurall Design of Tall Buildings, 5(2), 95-109, 1996.