<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Built Environ.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Built Environment</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Built Environ.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-3362</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2020.00084</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Built Environment</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>General Dynamic Collapse Criterion for Elastic&#x02013;Plastic Structures Under Double Impulse as Substitute of Near-Fault Ground Motion</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Homma</surname> <given-names>Sae</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Kojima</surname> <given-names>Kotaro</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/232353/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Takewaki</surname> <given-names>Izuru</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/166204/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Architecture and Architectural Engineering, Graduate School of Engineering, Kyoto University</institution>, <addr-line>Kyoto</addr-line>, <country>Japan</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Faculty of Design and Architecture, Kyoto Institute of Technology</institution>, <addr-line>Kyoto</addr-line>, <country>Japan</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Dario De Domenico, University of Messina, Italy</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Christian M&#x000E1;laga-Chuquitaype, Imperial College London, United Kingdom; Georgios Kampas, University of Greenwich, United Kingdom</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Izuru Takewaki <email>takewaki&#x00040;archi.kyoto-u.ac.jp</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Earthquake Engineering, a section of the journal Frontiers in Built Environment</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>30</day>
<month>06</month>
<year>2020</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2020</year>
</pub-date>
<volume>6</volume>
<elocation-id>84</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>08</day>
<month>03</month>
<year>2020</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>07</day>
<month>05</month>
<year>2020</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2020 Homma, Kojima and Takewaki.</copyright-statement>
<copyright-year>2020</copyright-year>
<copyright-holder>Homma, Kojima and Takewaki</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>A dynamic collapse criterion for elastic&#x02013;plastic structures under near-fault ground motions is derived analytically by approximately transforming near-fault ground motions into double impulse and using an energy balance law. A negative post-yield stiffness is introduced to treat the P-delta effect in the single-degree-of-freedom (SDOF) model. The principal part of fling-step near-fault ground motions is modeled by a one-cycle sine wave and then a double impulse. The double impulse enables the efficient use of the energy approach in the derivation of compact expressions of complicated elastic&#x02013;plastic responses of structures with the negative post-yield stiffness. In contrast to the previous work (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) for the resonant critical case, a general collapse criterion is provided for the velocity amplitude and the frequency of the double impulse. It is significant that no iteration is needed in the derivation of the dynamic collapse criterion except the solution of transcendental equations. It is shown that discussions on several patterns of dynamic collapse behaviors introduced in the previous critical case are useful for deriving a boundary between the collapse and the non-collapse in the plane of the input velocity and the input frequency. The most important point to be remarked is that the critical state (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) corresponding to the non-linear resonance does not necessarily provide the minimum input velocity level with respect to arbitrary impulse timing. The validity of the proposed dynamic collapse criterion is examined by the numerical response analysis for structures under double impulses with collapse or non-collapse parameters.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>earthquake response</kwd>
<kwd>elastic-plastic response</kwd>
<kwd>P-delta effect</kwd>
<kwd>dynamic collapse</kwd>
<kwd>collapse criterion</kwd>
<kwd>near-fault ground motion</kwd>
<kwd>double impulse</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">17K18922</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Japan Society for the Promotion of Science<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001691</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="15"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="47"/>
<ref-count count="62"/>
<page-count count="17"/>
<word-count count="8803"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>The dynamic collapse of structures is of permanent interest in the field of structural and earthquake engineering and applied mechanics. Historically, many significant works have been conducted (Jennings and Husid, <xref ref-type="bibr" rid="B27">1968</xref>; Sun et al., <xref ref-type="bibr" rid="B51">1973</xref>; Tanabashi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B55">1973</xref>; Bertero et al., <xref ref-type="bibr" rid="B6">1978</xref>; Takizawa and Jennings, <xref ref-type="bibr" rid="B54">1980</xref>; Bernal, <xref ref-type="bibr" rid="B4">1987</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B5">1998</xref>; Nakajima et al., <xref ref-type="bibr" rid="B46">1990</xref>; Ger et al., <xref ref-type="bibr" rid="B15">1993</xref>; Challa and Hall, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1994</xref>; Hall, <xref ref-type="bibr" rid="B16">1998</xref>; Hjelmstad and Williamson, <xref ref-type="bibr" rid="B20">1998</xref>; Uetani and Tagawa, <xref ref-type="bibr" rid="B56">1998</xref>; Araki and Hjelmstad, <xref ref-type="bibr" rid="B3">2000</xref>; Sasani and Bertero, <xref ref-type="bibr" rid="B49">2000</xref>; Ibarra and Krawinkler, <xref ref-type="bibr" rid="B21">2005</xref>; Adam and Jager, <xref ref-type="bibr" rid="B1">2012</xref>). While earthquake and structural engineering made clear its significance in the real world, e.g., safety check of structures and infrastructures, applied mechanics contributed to the theoretical advancement in this field (Herrmann, <xref ref-type="bibr" rid="B19">1965</xref>; Ishida and Morisako, <xref ref-type="bibr" rid="B22">1985</xref>; Maier and Perego, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1992</xref>; Araki and Hjelmstad, <xref ref-type="bibr" rid="B3">2000</xref>; Williamson and Hjelmstad, <xref ref-type="bibr" rid="B58">2001</xref>).</p>
<p>It seems that the first theoretical achievement on collapse of structures subjected to earthquake ground motions was made by Jennings and Husid (<xref ref-type="bibr" rid="B27">1968</xref>). They dealt with a single-degree-of-freedom (SDOF) system with an elastic&#x02013;plastic spring and demonstrated that the P-delta effect makes the natural period of the structure longer. Sun et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B51">1973</xref>) focused on the free vibration of the SDOF system subjected to an initial impact and made clear the stability or collapse boundary. Extension to multi-degree-of-freedom (MDOF) systems has also been attempted (Takizawa and Jennings, <xref ref-type="bibr" rid="B54">1980</xref>; Nakajima et al., <xref ref-type="bibr" rid="B46">1990</xref>).</p>
<p>The tangent stiffness has also attracted some researchers in the investigation of dynamic response of elastic&#x02013;plastic structures in view of instability. If the tangent stiffness goes into the negative range, residual displacements are induced and accelerated. In addition, there were some discussions that a negative eigenvalue of the tangent stiffness matrix is strongly related to either the accumulation of deformation (Uetani and Tagawa, <xref ref-type="bibr" rid="B56">1998</xref>) or the localization of deformation (Maier and Perego, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1992</xref>). Dynamic collapse behaviors and responses of actual and realistic frame models have been investigated by some researchers (Ger et al., <xref ref-type="bibr" rid="B15">1993</xref>; Challa and Hall, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1994</xref>; Hall, <xref ref-type="bibr" rid="B16">1998</xref>; Sivaselvan et al., <xref ref-type="bibr" rid="B50">2009</xref>). Through such investigations, various effects, such as non-linear geometric effect, non-linear material behavior, and spread of the plastic zone, were incorporated in the numerical methods.</p>
<p>However, it does not seem that a simple dynamic collapse criterion has been proposed even for a rather simple input except the recent work (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>). In the paper of Kojima and Takewaki (<xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>), a simple closed-form dynamic collapse criterion has been proposed for the double impulse as a simplification of the near-fault ground motion by taking full advantage of the energy balance law. They focused on the non-linear resonant situation (Drenick, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1970</xref>; Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B52">2002</xref>; Moustafa et al., <xref ref-type="bibr" rid="B42">2010</xref>) and showed that several collapse patterns exist.</p>
<p>The effects of near-fault ground motions on structural response have been studied extensively (Bertero et al., <xref ref-type="bibr" rid="B6">1978</xref>; Hall et al., <xref ref-type="bibr" rid="B17">1995</xref>; Sasani and Bertero, <xref ref-type="bibr" rid="B49">2000</xref>; Alavi and Krawinkler, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2004</xref>; Makris and Black, <xref ref-type="bibr" rid="B37">2004</xref>; Mavroeidis et al., <xref ref-type="bibr" rid="B39">2004</xref>; Kalkan and Kunnath, <xref ref-type="bibr" rid="B28">2006</xref>; Xu et al., <xref ref-type="bibr" rid="B59">2007</xref>; Rupakhety and Sigbj&#x000F6;rnsson, <xref ref-type="bibr" rid="B47">2011</xref>; Yamamoto et al., <xref ref-type="bibr" rid="B60">2011</xref>; Jarernprasert et al., <xref ref-type="bibr" rid="B26">2013</xref>; Minami and Hayashi, <xref ref-type="bibr" rid="B41">2013</xref>; Khaloo et al., <xref ref-type="bibr" rid="B29">2015</xref>; Vafaei and Eskandari, <xref ref-type="bibr" rid="B57">2015</xref>). These many investigations classified the input characteristics into two ones, i.e., the fling-step input and the forward-directivity input (Mavroeidis and Papageorgiou, <xref ref-type="bibr" rid="B40">2003</xref>; Bray and Rodriguez-Marek, <xref ref-type="bibr" rid="B7">2004</xref>; Kalkan and Kunnath, <xref ref-type="bibr" rid="B28">2006</xref>; Mukhopadhyay and Gupta, <xref ref-type="bibr" rid="B43">2013a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B44">b</xref>; Zhai et al., <xref ref-type="bibr" rid="B62">2013</xref>; Hayden et al., <xref ref-type="bibr" rid="B18">2014</xref>; Yang and Zhou, <xref ref-type="bibr" rid="B61">2015</xref>).</p>
<p>While the inelastic earthquake responses were analyzed for the steady-state response to a harmonic input or the non-stationary response to a simple sinusoidal input in the 1960s&#x02212;1970s (Caughey, <xref ref-type="bibr" rid="B10">1960a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B11">b</xref>; Iwan, <xref ref-type="bibr" rid="B23">1961</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">1965a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B25">b</xref>; Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B33">c</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">2016a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B35">b</xref>) developed a completely different innovative approach to the peak elastic&#x02013;plastic response using an energy balance law without solving directly the equations of motion. Furthermore, the resonant and overturning phenomena have been investigated from various viewpoints (Chatzis and Smyth, <xref ref-type="bibr" rid="B13">2012</xref>; Makris and Vassiliou, <xref ref-type="bibr" rid="B38">2013</xref>; Casapulla, <xref ref-type="bibr" rid="B8">2015</xref>; Nabeshima et al., <xref ref-type="bibr" rid="B45">2016</xref>; Casapulla and Maione, <xref ref-type="bibr" rid="B9">2017</xref>).</p>
<p>In this paper, a dynamic collapse criterion for elastic&#x02013;plastic structures under near-fault ground motions is derived analytically by approximately transforming near-fault ground motions into a double impulse and using an energy balance law. A negative post-yield stiffness is introduced to treat the P-delta effect in the single-degree-of-freedom (SDOF) model. The principal part of fling-step near-fault ground motions is modeled by a one-cycle sine wave and then a double impulse. The use of the double impulse enables the efficient use of the energy approach in the derivation of explicit expressions of a complicated elastic&#x02013;plastic response of structures with negative post-yield stiffness. In contrast to the previous work (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) for the resonant critical case, a general collapse criterion is provided for the velocity amplitude and the frequency of the double impulse. It is significant that no iteration is needed in the derivation of the dynamic collapse criterion except the solution of transcendental equations. It is shown that discussions on several patterns of dynamic collapse behaviors introduced in the previous critical case are useful for deriving a boundary between the collapse and the non-collapse in the plane of the input velocity and the input frequency. The most important point to be remarked is that the critical state (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) corresponding to the non-linear resonance does not necessarily provide the minimum input velocity level with respect to arbitrary impulse timing. The validity of the proposed dynamic collapse criterion is examined by the numerical response analysis for structures under double impulses with collapse or non-collapse parameters.</p>
<p>There exist two major advantages of the proposed method against the method using time-history response analysis: (1) if the collapse limit figure is prepared, structural designers can judge the state of collapse or non-collapse at once without time-history response analysis and know the safety factor (both for velocity level and input frequency) for the collapse without many time-history response analyses, and (2) while time-history response analysis of the structural model with negative post-yield stiffness exhibits the response results sensitive to the time increment of the numerical integration, the proposed method does not have such drawback (transcendental equation can be solved stably). Furthermore, since the proposed collapse limit figure is drawn in a normalized form with respect to input velocity level and input frequency, it can be used for various combinations of structural models and input properties.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>Double-Impulse Input</title>
<p>As explained in the previous papers (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B32">b</xref>; Kojima et al., <xref ref-type="bibr" rid="B30">2015</xref>), two types are distinctive in near-fault ground motions. The fault-parallel fling-step input can be expressed by a one-cycle sinusoidal wave (Mavroeidis and Papageorgiou, <xref ref-type="bibr" rid="B40">2003</xref>; Kalkan and Kunnath, <xref ref-type="bibr" rid="B28">2006</xref>) and the fault-normal forward-directivity input can be represented by three sinusoidal wavelets (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>). The fling step results from the permanent displacement of the ground induced by the fault dislocation and the forward directivity effect can be explained by the relation of the movement of the rupture front with the site. In this paper, a double impulse is used following the references (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">2016a</xref>; Kojima et al., <xref ref-type="bibr" rid="B30">2015</xref>). The double impulse enables the derivation of a straightforward expression of the elastic&#x02013;plastic responses based on an energy approach by taking advantage of the properties of free vibrations. Another advantage of the double impulse is the ease of the derivation of the critical resonant timing of impulses which is not possible for the sinusoidal and other inputs without a repetitive procedure. While most of the conventional methods (Caughey, <xref ref-type="bibr" rid="B10">1960a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B11">b</xref>; Iwan, <xref ref-type="bibr" rid="B23">1961</xref>) use the equivalent linearization techniques for the structural model under the original unchanged input, the method using the double impulse (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B32">b</xref>) employs the transformation of the input for the unchanged structural model. This property leads to an advantageous feature that the method using the double impulse is appropriate even for large plastic deformation.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Transformation of acceleration wavelets into a series of impulses. <bold>(A)</bold> Fling-step input (blue) and double impulse (red). <bold>(B)</bold> Forward-directivity input (blue) and triple impulse (red) (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0001.tif"/>
</fig>
<p>Consider a simplified ground acceleration &#x000FC;<sub><italic>g</italic></sub>(<italic>t</italic>) as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref> (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>) which is expressed by</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M1"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>V</italic> is the velocity amplitude in both positive and negative directions, and <italic>t</italic><sub>0</sub> is the time interval of two impulses. The time derivative is denoted by an over-dot. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref> also illustrates the comparison with the corresponding one-cycle sinusoidal wave. For reference, the velocity and displacement of both inputs are plotted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1A,B</xref> indicates the triple impulse as a substitute of a forward-directivity input. Good agreement can be observed even in the form of velocity and displacement. However, the correspondence in the response should be discussed carefully (see Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B34">2016a</xref>).</p>
<p>The Fourier transform of the acceleration <italic>&#x000FC;</italic><sub><italic>g</italic></sub>(<italic>t</italic>) of the double impulse can be derived as,</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>g</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>=</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></sec>
<sec id="s3">
<title>Previous Work on Collapse Limit for Non-linear Resonant Input</title>
<p>Kojima and Takewaki (<xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) treated the case of non-linear resonant input to derive the collapse limit of a bilinear hysteretic SDOF model with negative second slope under the double impulse. The terminology &#x0201C;nonlinear resonant input&#x0201D; in this paper means the case where the non-linear response of the SDOF model attains the maximum with respect to the interval of two impulses of the double impulse. When the restoring-force in the second stiffness range becomes zero, the model collapses. This is because the model cannot sustain the external force at this stage (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>). Let <italic>f</italic> and <italic>u</italic> denote the restoring force of the spring of stiffness <italic>k</italic> and the displacement of the mass <italic>m</italic>, respectively. In addition, let <italic>f</italic><sub><italic>y</italic></sub> and <italic>d</italic><sub><italic>y</italic></sub> denote the yielding force and the yield displacement, respectively. The natural period of this SDOF model is denoted by <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>:</mml:mo><mml:mtext>natural&#x000A0;circular&#x000A0;frequency</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The ratio of the second slope to the initial slope is expressed by &#x003B1;. The negative stiffness depends on the magnitude of elastic stiffness and the effect of the P&#x02013;&#x00394; effect. When the magnitude of the effect of the P&#x02013;&#x00394; effect against the elastic stiffness is large, the post-yield stiffness is apt to become negative. <italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> denotes the velocity level at which the SDOF model just attains the yield level after the first impulse. In this non-linear resonant case, the second impulse acts at the point of zero restoring force in the first slope range with a positive slope. They classified the collapse pattern into five patterns, i.e., pattern 1, pattern 2, pattern 3, additional pattern 1, and additional pattern 2. Pattern 1 is the collapse pattern such that the SDOF model collapses after the second impulse without plastic deformation after the first impulse. Pattern 2 is the collapse pattern such that the SDOF model collapses after the second impulse with plastic deformation after the first impulse. Pattern 3 is the collapse pattern such that the SDOF model collapses after the second impulse with plastic deformation after the first impulse and with closed loop after the second impulse. Additional pattern 1 is the collapse pattern such that the SDOF model collapses after the first impulse. Additional pattern 2 is the collapse pattern such that the SDOF model has an elastic limit after the second impulse.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> summarizes the collapse limit of input velocity amplitude with respect to the second slope.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Regions of collapse and non-collapse and several patterns of collapse limit (patterns of collapse).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0002.tif"/>
</fig>
<p>CASE 1 indicates the input velocity range such that the SDOF model remains elastic even after the second impulse. CASE 2 expresses the input velocity range such that the SDOF model remains elastic after the first impulse and goes into the plastic range after the second impulse. CASE 3 presents the input velocity range such that the SDOF model goes into the plastic range after the first impulse.</p></sec>
<sec id="s4">
<title>Classification Based on Input Level of Double Impulse and Timing of Second Impulse</title>
<p>In this section, a preparation for the next section to derive the collapse limit is made. Two classifications, one based on the input level of the double impulse and the other based on the timing of the second impulse, are introduced.</p>
<p>In the first classification based on the input level of the double impulse, three cases exist, i.e., CASE-A, B, C.</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p><bold>CASE-A</bold>: The input velocity level satisfies 0 &#x02264; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02264; 1.</p></list-item>
<list-item><p><bold>CASE-B</bold>: The input velocity level satisfies <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
<list-item><p><bold>CASE-C</bold>: The input velocity level satisfies <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list>
<p>The parameter <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> is related to the coefficient such that the structure just attains the collapse under only the first impulse with the input velocity level <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>). This classification is different from CASE-1, 2, 3 in the previous section which are defined for resonant critical input. In non-resonant cases, a different kind of classification is necessary.</p>
<p>In the second classification based on the timing of the second impulse, four cases exist, i.e., CASE-I, II, III, and IV.</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p><bold>CASE-I</bold>: The structure does not yield after the first impulse, and the second impulse acts.</p></list-item>
<list-item><p><bold>CASE-II</bold>: The structure goes into the plastic range after the first impulse, and the second impulse acts before the structure attains the maximum displacement or before the structure collapses under only the first impulse.</p></list-item>
<list-item><p><bold>CASE-III</bold>: The structure goes into the plastic range after the first impulse, and the second impulse acts while the structure exhibits a harmonic free vibration after the attainment of the maximum displacement.</p></list-item>
<list-item><p><bold>CASE-IV</bold>: The structure collapses before the action of the second impulse.</p></list-item>
</list>
<p>Consider the principal points on the restoring-force characteristic, Point O: origin, Point A: initial yielding point, Point B: point of the maximum displacement after the first impulse, Point C: point of zero restoring force after the first impulse, Point D: point of collapse after the first impulse, Point E: point of zero velocity after Point C, Point F: point of zero restoring force after Point E, Point P: the maximum displacement in the negative direction (CASE-A), and Point Q: the maximum displacement in the positive direction (CASE-A). The time between two principal points (e.g., O and A) is indicated by <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub>.</p>
<p><bold>(CASE-A)</bold></p>
<p>In CASE-A (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>), it is evident that</p>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M8"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>25</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This is because the vibration after the first impulse is a free vibration of an elastic SDOF model.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Classification based on input level of double impulse and timing of second impulse. <bold>(A)</bold> Force&#x02013;deformation relation depending on input level of double impulse. <bold>(B)</bold> Classification based on input level of double impulse and time between origin <italic>O</italic> and principal points. <bold>(C)</bold> Classification based on timing of second impulse.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0003.tif"/>
</fig>
<p><bold>(CASE-B)</bold></p>
<p>In CASE-B (<inline-formula><mml:math id="M9"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>) (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>), the ratio of the time between Points O and A to <italic>T</italic><sub>1</sub> can be expressed by</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M10"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>arcsin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In this case, the following condition must be satisfied.</p>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M11"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mtext>arcsin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be expressed by using the energy balance law (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) between the point of the first impulse and the maximum deformation point.</p>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M12"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The time history from Point A through Point B and the time <italic>t</italic><sub><italic>AB</italic></sub> between Points A and B are derived next. The equation of motion from Point A through Point B is</p>
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M13"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The energy balance law between Points O and A yields</p>
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M14"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Equation (8) provides the velocity <italic>v</italic><sub><italic>A</italic></sub> at Point A.</p>
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M15"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>From Equation (7) and the initial condition (<italic>u</italic>(<italic>t</italic> &#x0003D; 0) &#x0003D; &#x02212;<italic>d</italic><sub><italic>y</italic></sub>, <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02219;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>), the displacement and velocity between Points A and B are</p>
<disp-formula id="E10"><label>(10)</label><mml:math id="M17"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;cosh</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;sinh</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E11"><label>(11)</label><mml:math id="M18"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02219;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>sinh</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>cosh</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The ratio of the time between Points A and B to <italic>T</italic><sub>1</sub> can be expressed by</p>
<disp-formula id="E12"><label>(12)</label><mml:math id="M19"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">arctanh</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>ln&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The time history after Point B and the times between two principal points are derived next. The equation of motion (free vibration) after Point B (maximum displacement point) can be described by</p>
<disp-formula id="E13"><label>(13)</label><mml:math id="M20"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000A8;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The solution of Equation (13) for the initial condition <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02219;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <italic>t</italic> &#x0003D; 0 at Point B leads to</p>
<disp-formula id="E14"><label>(14)</label><mml:math id="M22"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E15"><label>(15)</label><mml:math id="M23"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02219;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>sin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The following results for the ratios of the times between the principal points to <italic>T</italic><sub>1</sub> can be obtained.</p>
<disp-formula id="E16"><label>(16)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>25</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E17"><label>(17)</label><mml:math id="M25"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>25</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Based on these results, the ratio of the critical interval of the double impulse to <italic>T</italic><sub>1</sub> can be expressed by</p>
<disp-formula id="E18"><label>(18)</label><mml:math id="M26"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>arcsin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>ln&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold>(CASE-C)</bold></p>
<p>Consider CASE-C (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>). As in CASE-B, the condition (5) is satisfied. The displacement and velocity after yielding (Point A) can be expressed by Equations (10), (11) as in CASE-B. Since the displacement at the collapse (Point D) is &#x02212;<italic>dy</italic>{1&#x02212;(1/&#x003B1;)} and <italic>u</italic>(<italic>t</italic><sub><italic>AD</italic></sub>) &#x0003D; &#x02212;<italic>dy</italic>{1&#x02212;(1/&#x003B1;)} for time <italic>t</italic> from Point A, the ratio of the time between Point A and Point D to <italic>T</italic><sub>1</sub> can be obtained as</p>
<disp-formula id="E19"><label>(19)</label><mml:math id="M27"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>ln&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref> shows the classification based on the input level of the double impulse and the time between origin O and principal points for the case &#x003B1; =-0.4. In this case of &#x003B1; =-0.4, CASE-A, B, C exist. The normalized time <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> between two principal points (O and A) is indicated by a solid light green line. This line exists only in CASE-B and C. The normalized time <italic>t</italic><sub><italic>OD</italic></sub> between two principal points (O and D) is indicated by a dotted black line. This line exists only in CASE-C. The normalized time <italic>t</italic><sub><italic>OP</italic></sub> or <italic>t</italic><sub><italic>OQ</italic></sub> between two principal points (O and P or O and Q) is indicated by a dotted light green line. This line exists only in CASE-A (elastic response after the first impulse). The normalized times <italic>t</italic><sub><italic>OB</italic></sub>, <italic>t</italic><sub><italic>OE</italic></sub> between two principal points (O and B, O and E) are indicated by a dashed light green line and a dashed&#x02013;dotted light green line. These lines exist only in CASE-B (elastic response after the first impulse). The normalized time <italic>t</italic><sub><italic>OF</italic></sub> between two principal points (O and F) is indicated by a solid black line. This line exists only in CASE-A and B. Finally, the normalized critical time interval <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> between two impulses is indicated by a solid blue line. This line exists only in CASE-A and B. These boundaries of arrival times are useful for the classification of regions.</p>
<p>On the other hand, <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3C</xref> presents the classification of regions based on the timing of the second impulse for the case &#x003B1; =-0.4. In this case of &#x003B1; =-0.4, CASE-I, II, III, IV exist. CASE-I exists in CASE-A, B, C and CASE-II exists in CASE-B and C. Furthermore, CASE-III exists in CASE-B and CASE-IV exists in CASE-C. Once such classification of regions based on the timing of the second impulse is conducted, the judgment of collapse or non-collapse is made efficiently by introducing the energy balance law (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2015a</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>).</p></sec>
<sec id="s5">
<title>Determination of Collapse Limit Input Velocity of Double Impulse With Arbitrary Interval</title>
<p>Consider here several collapse patterns, Collapse patterns 1&#x02032;-4&#x02032;. This naming comes from the similarity to the previous formulation for the non-linear resonant case (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>). Collapse pattern 4&#x02032; represents a new type.</p>
<sec>
<title>Collapse Pattern 1&#x02032;</title>
<p>The first collapse pattern is the case where the structure remains elastic after the first impulse and attains the collapse limit after the second impulse with arbitrary timing as shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Collapse pattern 1&#x02032; (CASE-A): <bold>(A)</bold> Restoring-force characteristic. <bold>(B)</bold> Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0004.tif"/>
</fig>
<p>Let O and A denote the point of the first impulse (origin of the restoring force characteristic) and the point of initial yielding in the negative direction. The interval of two impulses is denoted by <italic>t</italic><sub>0</sub>, and the passing time between Points O and A is indicated by <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub>. Since the structure does not yield after the first impulse, the following two cases exist.</p>
<disp-formula id="E20"><label>(20)</label><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:mtext>CASE-I</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>CASE-A</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>CASE-B</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>C</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Consider the respective cases shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<p><bold>[</bold><bold>0 &#x02264; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02264; 1 (CASE-A)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref> shows the collapse pattern 1&#x02032; in CASE-A. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In CASE-A (0 &#x02264; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02264; 1), the structure does not collapse for the input 0 &#x0003C; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02264; 0.5. Therefore, the condition 0.5 &#x0003C; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02264; 1 is necessary to satisfy the collapse condition.</p>
<p>The displacement and velocity of the mass just before the second impulse can be expressed by</p>
<disp-formula id="E21"><label>(21)</label><mml:math id="M30"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;sin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;sin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E22"><label>(22)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>When the structure just attains a zero restoring force after the second impulse, the plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> after the second impulse can be obtained as</p>
<disp-formula id="E23"><label>(23)</label><mml:math id="M32"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The energy balance law between the state just after the second impulse and the collapse Point H in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref> can be expressed by</p>
<disp-formula id="E24"><label>(24)</label><mml:math id="M33"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Substitution of Equations (21), (22), and (23) into Equation (24) leads to the collapse limit input velocity for CASE-A in collapse pattern 1&#x02032;.</p>
<disp-formula id="E25"><label>(25)</label><mml:math id="M34"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since 0.5 &#x0003C; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02264; 1 is necessary, the following condition for &#x003B1; and <italic>t</italic><sub>0</sub> must be satisfied.</p>
<disp-formula id="E26"><label>(26)</label><mml:math id="M35"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;cos</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref> shows the collapse limit input velocity for &#x003B1; = &#x02212;0.4 for CASE-A in collapse pattern 1&#x02032;. It can be observed that the critical case for <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub> &#x0003D; 0.5 (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) gives the minimum collapse limit input velocity. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>, the timing of the second impulse is also indicated.</p>
<p><bold>[1.0 &#x0003C; <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> (CASE-B, C) and 0 &#x0003C; <italic>t</italic><sub>0</sub> &#x02264; <italic>t<sub>OA</sub></italic></bold>]</p>
<p>After some manipulation, it was found that &#x003B1; &#x02264; &#x02212;1 is required in this case to satisfy the collapse condition in collapse pattern 1&#x02032;. Since a usual case corresponds to the model with &#x003B1; &#x0003E; &#x02212;1, the detail of analysis is not shown here.</p></sec>
<sec>
<title>Collapse Pattern 2&#x02032;</title>
<p>The second collapse pattern is the case where the structure exhibits plastic deformation after the first impulse and attains the collapse limit after the second impulse (see <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref>). Since the structure exhibits plastic deformation after the first impulse in this case, <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003E; 1 must be satisfied.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Collapse pattern 2&#x02032; (CASE-B), <bold>(A)</bold> Restoring-force characteristic. <bold>(B)</bold> The collapse limit input velocity for &#x003B1; =-0.4.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0005.tif"/>
</fig>
<p>Because the second impulse acts after the structure goes into a plastic region under the first impulse, the case is divided into the following two cases, CASE-II and CASE-III.</p>
<disp-formula id="E27"><label>(27)</label><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>CASE-II</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>CASE-B</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>CASE-C</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>CASE-III</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>CASE-B</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-B) and (CASE-II)]</bold></p>
<p>Since the second impulse acts before the attainment of the maximum displacement (Point B) after the yielding under the first impulse, the interval of two impulses has to satisfy</p>
<disp-formula id="E28"><label>(28)</label><mml:math id="M38"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>&#x0007B;</mml:mo><mml:mtext>arcsin&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007B;</mml:mo><mml:mtext>arcsin&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>ln&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>&#x0007B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The displacement and velocity at time <italic>t</italic><sup>&#x0002A;</sup> just before the action of the second impulse can be obtained from Equations (10), (11).</p>
<disp-formula id="E29"><label>(29)</label><mml:math id="M39"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;cosh</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;sinh</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E30"><label>(30)</label><mml:math id="M40"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>sinh</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mtext>arctanh&#x000A0;</mml:mtext><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x0007B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> in Equations (29), (30) can be obtained from Equation (4). The plastic deformation after the first impulse can be expressed by</p>
<disp-formula id="E31"><label>(31)</label><mml:math id="M41"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>When the maximum displacement after the second impulse just attains a zero restoring force, the plastic deformation after the second impulse can be expressed by</p>
<disp-formula id="E32"><label>(32)</label><mml:math id="M42"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The energy balance law between the point just after the second impulse and the point H where the maximum displacement after the second impulse just attains a zero restoring force can be expressed by</p>
<disp-formula id="E33"><label>(33)</label><mml:math id="M43"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Substitution of Equations (4), (29)&#x02013;(32) into Equation (33) provides the collapse input velocity level <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> for collapse pattern 2&#x02032;.</p>
<p>After some manipulation, it was found that &#x003B1; &#x02264; &#x02212;1 is required in this case to satisfy the collapse condition in collapse pattern 2&#x02032;. Since a usual case corresponds to the model with &#x003B1; &#x0003E; &#x02212;1, the detail of analysis is not shown here.</p>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-C) and (CASE-II)]</bold></p>
<p>Since the second impulse acts before the attainment of the collapse point D with a zero restoring force after the yielding under the first impulse, the following condition must be satisfied from Equations (4), (19).</p>
<disp-formula id="E34"><label>(34)</label><mml:math id="M45"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>arcsin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>arcsin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>ln&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>After some manipulation, it was found that &#x003B1; &#x02264; &#x02212;1 is required in this case to satisfy the collapse condition in collapse pattern 2&#x02032;. Since a usual case corresponds to the model with &#x003B1; &#x0003E; &#x02212;1, the detail of analysis is not shown here.</p>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-B) and (CASE-III)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref> shows the collapse pattern 2&#x02032; in CASE-B. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In this case, the structure collapses under the second impulse after it goes into a plastic region under the first impulse. Since the second impulse acts after the structure goes into a plastic region and attains the maximum deformation (Point B), Equations (4), (12) require to satisfy the condition</p>
<disp-formula id="E35"><label>(35)</label><mml:math id="M47"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>arcsin</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>ln&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In this case, the displacement and velocity of the mass just before the action of the second impulse are described from Equations (14) and (15) as</p>
<disp-formula id="E36"><label>(36)</label><mml:math id="M48"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;cos&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E37"><label>(37)</label><mml:math id="M49"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02219;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>sin&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> and <italic>t</italic><sub><italic>AB</italic></sub> in Equations (36), (37) can be obtained from Equations (4), (12). The plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be derived by using the energy balance law between the point just after the first impulse and the point of the maximum deformation (Point B). The plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> after the second impulse can be obtained as Equation (32).</p>
<p>The energy balance law between the point just after the second impulse and the point of the maximum deformation <italic>u</italic><sub>max2</sub> &#x0003D; <italic>d</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x02212; <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> &#x0002B; <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> after the second impulse (Point H) can be expressed as</p>
<disp-formula id="E38"><label>(38)</label><mml:math id="M50"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since substitution of Equations (4), (6), (12), (32), (36), (37) into Equation (38) provides the transcendental equation, it is difficult to derive a closed-form expression for the input velocity corresponding to the collapse. To determine the input velocity corresponding to the collapse, this transcendental equation can be computed for given &#x003B1; and <italic>t</italic><sub>0</sub>.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5B</xref> shows the collapse limit input velocity for &#x003B1; = &#x02212;0.4 for CASE-B in collapse pattern 2&#x02032;.</p></sec>
<sec>
<title>Collapse Pattern 3&#x02032;</title>
<p>The third collapse pattern is the case where the structure exhibits plastic deformation after the first impulse and attains the collapse limit with a closed loop after the second impulse (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>).</p>
<p>Since the structure exhibits plastic deformation after the first impulse in this case, <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003E; 1 must be satisfied. Because the second impulse acts after the structure goes into a plastic region under the first impulse, the case is divided into two cases, CASE-II and CASE-III, as shown in Equation (27). According to the classification shown in Equation (27), the collapse limit velocity corresponding to the collapse pattern 3&#x02032; is derived.</p>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-B) and (CASE-II)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref> shows the collapse pattern 3&#x02032; in CASE-B and CASE-II. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In this case, the structure exhibits a closed loop and collapses under the second impulse after it goes into a plastic region under the first impulse. The second impulse acts before the structure goes into the unloading path naturally and experiences plastic deformation in the positive direction and then in the negative direction.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Collapse pattern 3&#x02032; (CASE-B and CASE-II). <bold>(A)</bold> Restoring-force characteristic. <bold>(B)</bold> Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0006.tif"/>
</fig>
<p>Since the second impulse acts before the structure goes into the unloading path naturally at Point B, the impulse interval <italic>t</italic><sub>0</sub> must satisfy Equation (28).</p>
<p>In this case, the displacement and velocity of the mass just before the action of the second impulse are described from Equations (29) and (30). <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> in Equations (29), (30) can be obtained from Equation (4). As shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>, the plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be derived as in Equation (31).</p>
<p>The energy balance law between the point just after the second impulse and the point J in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref> can be expressed by</p>
<disp-formula id="E39"><label>(39)</label><mml:math id="M52"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> after the second impulse can be obtained from Equation (39). In this case, the condition 0 &#x0003C; <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> &#x0003C; &#x02212;(1/&#x003B1;)<italic>d</italic><sub><italic>y</italic></sub> must be satisfied. By solving the quadratic equation, Equation (39), under the condition 0 &#x0003C; <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> &#x0003C; &#x02212;(1/&#x003B1;)<italic>d</italic><sub><italic>y</italic></sub>, <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> can be obtained in closed form.</p>
<disp-formula id="E40"><label>(40)</label><mml:math id="M53"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Another energy balance law between Point J and Point H provides</p>
<disp-formula id="E41"><label>(41)</label><mml:math id="M54"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02003;&#x02003;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The input velocity corresponding to the collapse can be obtained by solving the quartic equation transformed from Equation (41).</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref> shows the collapse limit input velocity for &#x003B1; = &#x02212;0.4 for CASE-B in collapse pattern 3&#x02032;.</p>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-C) and (CASE-II)]</bold></p>
<p>Since the input velocity level in this case is too large, the solution to satisfy the collapse condition does not exist in this case.</p>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-B) and (CASE-III)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref> shows the collapse pattern 3&#x02032; in CASE-B and CASE-III. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In this case, the structure exhibits a closed loop (BIJK) and collapses under the second impulse after it goes into a plastic region under the first impulse. The second impulse acts after the structure goes into the unloading path naturally at Point B. Since the second impulse acts after the structure goes into an unloading path naturally at Point B, the impulse interval <italic>t</italic><sub>0</sub> must satisfy Equation (35).</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Collapse pattern 3&#x02032; (CASE-B and CASE-III). <bold>(A)</bold> Restoring-force characteristic. <bold>(B)</bold> Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0007.tif"/>
</fig>
<p>The displacement and velocity just before the action of the second impulse can be obtained from Equations (36), (37). <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> and <italic>t</italic><sub><italic>AB</italic></sub> in Equations (36), (37) can be obtained from Equations (4), (12). The plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be derived as Equation (6) by using the energy balance law between the point just after the first impulse and the point of the maximum deformation (Point B) in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>.</p>
<p>The energy balance law between the point just after the second impulse and the point of the maximum deformation <italic>u</italic><sub>max2</sub> after the second impulse (Point J in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>) can be expressed as</p>
<disp-formula id="E42"><label>(42)</label><mml:math id="M57"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>By solving the quadratic equation, Equation (42), under the condition 0 &#x0003C; <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> &#x0003C; &#x02212;(1/&#x003B1;)<italic>d</italic><sub><italic>y</italic></sub>, <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>2</sub> can be obtained in closed form.</p>
<disp-formula id="E43"><label>(43)</label><mml:math id="M58"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The collapse limit level in this pattern can be obtained by solving the quartic equation derived by substituting Equation (43) into Equation (41).</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7B</xref> shows the collapse limit input velocity for &#x003B1; = &#x02212;0.4 for CASE-B in collapse pattern 3&#x02032;.</p></sec>
<sec>
<title>Collapse Pattern 4&#x02032;</title>
<p>The fourth collapse pattern is the case where the structure exhibits plastic deformation after the first impulse and attains the collapse limit after experiencing unloading (positive direction) and reloading&#x02013;reyielding (negative direction) for the second impulse.</p>
<p>Since the structure exhibits plastic deformation after the first impulse in this case, <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003E; 1 must be satisfied. Because the second impulse acts after the structure goes into a plastic region under the first impulse, the case is divided into two cases, CASE-II and CASE-III, as shown in Equation (27). According to the classification shown in Equation (27), the collapse limit velocity corresponding to the collapse pattern 4&#x02032; is derived.</p>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-B) and (CASE-II)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref> shows the collapse pattern 4&#x02032; for CASE-B and CASE-II. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In this case, the second impulse acts before the structure goes into an unloading path naturally. The structure does not experience plastic deformation in the positive direction. Since the second impulse acts before the structure goes into an unloading path naturally at Point B, the impulse interval <italic>t</italic><sub>0</sub> must satisfy Equation (28).</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Restoring-force characteristic corresponding to collapse pattern 4&#x02032;, <bold>(A)</bold> Case-B and CASE-II, <bold>(B)</bold> Case-C and CASE-II.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0008.tif"/>
</fig>
<p>In this case, the displacement and velocity of the mass just before the action of the second impulse are expressed by Equations (29) and (30). <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> in Equations (29), (30) can be obtained from Equation (4). As shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref>, the plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be derived as in Equation (31). Since the structure does not go into a plastic region just after the second impulse, the following relation must hold.</p>
<disp-formula id="E44"><label>(44)</label><mml:math id="M60"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The energy balance law between the point just after the second impulse and Point H in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref> can be expressed by</p>
<disp-formula id="E45"><label>(45)</label><mml:math id="M61"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-C) and (CASE-II)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8B</xref> shows the collapse pattern 4&#x02032; for CASE-C and CASE-II. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In this case, the second impulse acts before the structure attains the collapse state, Point D. The structure does not experience plastic deformation in the positive direction.</p>
<p>Since the second impulse acts before the structure attains the collapse state, Point D, the impulse interval <italic>t</italic><sub>0</sub> must satisfy Equation (34).</p>
<p>In this case, the displacement and velocity of the mass just before the action of the second impulse are described by Equations (29) and (30). <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> in Equations (29), (30) can be obtained from Equation (4). As shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8B</xref>, the plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be derived as in Equation (31). Since the structure does not go into a plastic region just after the action of the second impulse, Equation (44) must be satisfied. The energy balance law between the point just after the second impulse and the point H in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref> can be expressed as Equation (45).</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> shows the collapse limit input velocity for &#x003B1; = &#x02212;0.4 for Case-B, CASE-II and CASE-C, CASE-II in collapse pattern 4&#x02032;.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation for CASE-B and CASE-II, CASE-C, CASE-II in collapse pattern 4&#x02032;.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0009.tif"/>
</fig>
<p><bold>[</bold><inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> <bold>(CASE-B) and (CASE-III)]</bold></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10A</xref> shows the collapse pattern 4&#x02032; for CASE-B and CASE-III. In this figure, the timing of the second impulse is also indicated. In this case, the second impulse acts after the structure goes into a plastic range and attains the maximum deformation, Point B. The structure does not experience plastic deformation in the positive direction. Since the second impulse acts after the structure attains the maximum deformation, Point B, the impulse interval <italic>t</italic><sub>0</sub> must satisfy Equation (35).</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p>Collapse pattern 4&#x02032; (CASE-B and CASE-III). <bold>(A)</bold> Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation. <bold>(B)</bold> Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation.</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0010.tif"/>
</fig>
<p>When the structure goes into a plastic region after the first impulse and the second impulse acts after the structure attains the maximum deformation, Point B, the displacement and velocity of the mass just before the action of the second impulse are described by Equations (36) and (37). <italic>t</italic><sub><italic>OA</italic></sub> and <italic>t</italic><sub><italic>AB</italic></sub> in Equations (36), (37) can be obtained by Equations (4), (12). As shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10A</xref>, the plastic deformation <italic>u</italic><sub><italic>p</italic>1</sub> after the first impulse can be derived as in Equation (6) by using the balance law between the point just after the first impulse and the point B of the maximum deformation.</p>
<p>Since the structure does not go into a plastic region just after the action of the second impulse, Equation (46) must be satisfied.</p>
<disp-formula id="E46"><label>(46)</label><mml:math id="M64"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The energy balance law between the point just after the second impulse and the point H in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10A</xref> can be expressed as</p>
<disp-formula id="E47"><label>(47)</label><mml:math id="M65"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Since substitution of Equations (4), (6), (12), (32), (36), (37) into Equation (47) provides the transcendental equation, it is difficult to derive a closed-form expression for the input velocity corresponding to the collapse. To determine the input velocity corresponding to the collapse, this transcendental equation can be computed for given &#x003B1; and <italic>t</italic><sub>0</sub>.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10B</xref> shows the second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation for Case-B and CASE-III in collapse pattern 4&#x02032;.</p></sec></sec>
<sec id="s6">
<title>Collapse Limit Input Velocity of Double Impulse With Arbitrary Interval for SDOF System With Various Negative Post-yield Slopes</title>
<p>Based on the collapse patterns explained above, a limit curve on the second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub> relation for the collapse and non-collapse states can be proposed. As an example, <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> shows the second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation for the collapse and non-collapse states for &#x003B1; = &#x02212;0.4. It should be remarked that the present SDOF model is an undamped model, and the states of <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>=0.5 and <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>=1.5 provide the same collapse limit. It can be observed that an isolated region of the collapse state exists around the level of <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>=0.5 (also 1.5) and the level of <italic>V</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>y</italic></sub>=1. The most important point to be remarked is that the critical state (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) corresponding to the non-linear resonance does not necessarily provide the minimum input velocity level with respect to arbitrary impulse timing.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>Second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation for collapse and non-collapse states (&#x003B1; = &#x02212;0.4).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0011.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref> presents the correspondence between arbitrary timing and the critical timing (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) of the second impulse in the collapse velocity level (&#x003B1; = &#x02212;0.4). It can be confirmed that the states of <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>=0.5 and <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>=1.5 certainly correspond to the critical state in the reference (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>).</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>Figure 12</label>
<caption><p>Correspondence between arbitrary timing and critical timing of second impulse in collapse velocity level (&#x003B1; = &#x02212;0.4).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0012.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13</xref> indicates the collapse limit input velocity of the double impulse with arbitrary interval for the SDOF system with various negative post-yield slopes (&#x003B1; = &#x02212;0.2, &#x02212;1/3, &#x02212;0.8). The correspondence between the arbitrary timing and critical timing (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) of the second impulse in the collapse velocity level is also shown again. It can be found that, as the parameter &#x003B1; changes, different phases of the limit curve in the second impulse timing <italic>t</italic><sub>0</sub>/<italic>T</italic><sub>1</sub>-input velocity relation for collapse and non-collapse states appear and &#x003B1; = &#x02212;1/3 gives the boundary of the change of phases. When &#x003B1; is larger than &#x02212;1/3, the non-linear resonance does not provide the minimum input level corresponding to collapse.</p>
<fig id="F13" position="float">
<label>Figure 13</label>
<caption><p>Collapse limit input velocity of double impulse with arbitrary interval for SDOF system with various negative post-yield slopes (&#x003B1; = &#x02212;0.2, &#x02212;1/3, &#x02212;0.8).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0013.tif"/>
</fig></sec>
<sec id="s7">
<title>Accuracy of Collapse Limit Input Velocity of Double Impulse With Arbitrary Interval for SDOF System With Negative Post-yield Slope</title>
<p><xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14A</xref> shows the verification of the proposed collapse limit by time-history response analysis to double impulses with various input velocities and impulse timings (&#x003B1; = &#x02212;0.2, &#x02212;0.4). Many combinations of the impulse timing and the input velocity level in the collapse and non-collapse states were selected in the case of &#x003B1; = &#x02212;0.2, &#x02212;0.4. For strict verification, many combinations of the impulse timing and the input velocity level were chosen near the boundary of the proposed limit curve. <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14B</xref> presents the displacement time histories of the model with &#x003B1; = &#x02212;0.4 to five inputs (1), (2), (5), (6), (8) shown in <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14A</xref>. It can be observed that strict classification into the collapse state and the non-collapse state has been made with the proposed limit curve.</p>
<fig id="F14" position="float">
<label>Figure 14</label>
<caption><p>Verification of the proposed collapse limit by time-history response analysis to double impulses with various input velocities and impulse timings. <bold>(A)</bold> Collapse and non-collapse plot for models with &#x003B1; = &#x02212;0.2 and &#x02212;0.4. <bold>(B)</bold> Displacement time histories of model with &#x003B1; = &#x02212;0.4 to five inputs (1), (2), (5), (6), (8) shown in <bold>(A)</bold> (blue marks indicate double impulse timings and red mark shows collapse state).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0014.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F15">Figure 15</xref> presents the 9 restoring-force characteristics corresponding to various combinations of the impulse timing and the input velocity level shown in <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref> (blue marks indicate the double impulse timings and red mark shows the collapse state). The cases (1), (2), (5), (6), (8) exhibit collapse behaviors. The response behaviors can be well-understood from these figures.</p>
<fig id="F15" position="float">
<label>Figure 15</label>
<caption><p>Restoring-force characteristics corresponding to various combinations of impulse timing and input velocity level (blue marks indicate double impulse timings and red mark shows collapse state).</p></caption>
<graphic xlink:href="fbuil-06-00084-g0015.tif"/>
</fig></sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s8">
<title>Conclusions</title>
<p>A dynamic collapse criterion for elastic&#x02013;plastic structures under double impulse as a substitute of a near-fault ground motion has been derived. The conclusions may be summarized as follows:
<list list-type="order">
<list-item><p>The use of the double impulse enables the efficient use of the energy approach in the derivation of explicit expressions of a complicated elastic&#x02013;plastic response of structures with the P-delta effect.</p></list-item>
<list-item><p>In contrast to the previous work (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) for the resonant critical case, a general collapse criterion is provided for the velocity amplitude and the frequency of the double impulse. It is significant that no iteration is needed in the derivation of the dynamic collapse criterion.</p></list-item>
<list-item><p>Discussions on several patterns of dynamic collapse behaviors introduced in the previous critical case are useful for deriving a boundary between the collapse and the non-collapse in the plane of the input velocity and the input frequency.</p></list-item>
<list-item><p>The most important point to be remarked is that the critical state (Kojima and Takewaki, <xref ref-type="bibr" rid="B35">2016b</xref>) corresponding to the non-linear resonance does not necessarily provide the minimum input velocity level with respect to arbitrary impulse timing.</p></list-item>
<list-item><p>The validity of the proposed collapse criterion has been investigated by the numerical response analysis for structures under double impulses with collapse or non-collapse parameters. It has been confirmed that the proposed criterion has a reasonable accuracy.</p></list-item>
</list></p>
<p>The present paper dealt with an undamped system. This is because, if a damped system is treated, the formulation is too complicated even for the case of critical input (Saotome et al., <xref ref-type="bibr" rid="B48">2019</xref>). The discussion on the damped system may be the future work.</p></sec>
<sec sec-type="data-availability-statement" id="s9">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>All datasets generated for this study are included in the article/supplementary material.</p></sec>
<sec id="s10">
<title>Author Contributions</title>
<p>SH formulated the problem, conducted the computation, and wrote the paper. KK conducted the computation and discussed the results. IT supervised the research and wrote the paper. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s11">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p></sec>
</body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Adam</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Jager</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Dynamic instabilities of simple inelastic structures subjected to earthquake excitation</article-title>, in <source>Advances Dynamics and Model-based Control of Structures and Machines</source>, eds <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Irschik</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Krommer</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Belyaev</surname> <given-names>A. K.</given-names></name></person-group> (<publisher-loc>Wien</publisher-loc>: <publisher-name>Springer)</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Alavi</surname> <given-names>B.</given-names></name> <name><surname>Krawinkler</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Behaviour of moment resisting frame structures subjected to near-fault ground motions</article-title>. <source>Earthquake Eng. Struct. Dyn</source>. <volume>33</volume>, <fpage>687</fpage>&#x02013;<lpage>706</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.369</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Araki</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Hjelmstad</surname> <given-names>K. D.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Criteria for assessing dynamic collapse of elastoplastic structural systems</article-title>. <source>Earthquake Engng. Struct. Dyn</source>. <volume>29</volume>, <fpage>1177</fpage>&#x02013;<lpage>1198</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/1096-9845(200008)29:8&#x0003C;1177::AID-EQE963&#x0003E;3.0.CO;2-E</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bernal</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Amplification factors for inelastic dynamic p- effects in earthquake analysis</article-title>. <source>Earthquake Engng. Struct. Dyn</source>. <volume>15</volume>, <fpage>635</fpage>&#x02013;<lpage>651</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.4290150508</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bernal</surname> <given-names>D.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Instability of buildings during seismic response</article-title>. <source>Eng. Struct</source>. <volume>20</volume>, <fpage>496</fpage>&#x02013;<lpage>502</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0141-0296(97)00037-0</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bertero</surname> <given-names>V. V.</given-names></name> <name><surname>Mahin</surname> <given-names>S. A.</given-names></name> <name><surname>Herrera</surname> <given-names>R. A.</given-names></name></person-group> (<year>1978</year>). <article-title>Aseismic design implications of near-fault San Fernando earthquake records</article-title>. <source>Earthquake Eng. Struct. Dyn</source>. <volume>6</volume>, <fpage>31</fpage>&#x02013;<lpage>42</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.4290060105</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bray</surname> <given-names>J. D.</given-names></name> <name><surname>Rodriguez-Marek</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Characterization of forward-directivity ground motions in the near-fault region</article-title>. <source>Soil Dyn. Earthquake Eng</source>. <volume>24</volume>, <fpage>815</fpage>&#x02013;<lpage>828</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.soildyn.2004.05.001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Casapulla</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>On the resonance conditions of rigid rocking blocks</article-title>. <source>Int. J. Eng. Tech</source>. <volume>7</volume>, <fpage>760</fpage>&#x02013;<lpage>771</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Casapulla</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Maione</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Critical response of free-standing rocking blocks to the intense phase of an earthquake</article-title>. <source>Int. Rev. Civil Eng</source>. <volume>8</volume>, <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.15866/irece.v8i1.11024</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Caughey</surname> <given-names>T. K.</given-names></name></person-group> (<year>1960a</year>). <article-title>Sinusoidal excitation of a system with bilinear hysteresis</article-title>. <source>J. Appl. Mech</source>. <volume>27</volume>, <fpage>640</fpage>&#x02013;<lpage>643</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3644075</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Caughey</surname> <given-names>T. K.</given-names></name></person-group> (<year>1960b</year>). <article-title>Random excitation of a system with bilinear hysteresis</article-title>. <source>J. Appl. Mech</source>. <volume>27</volume>, <fpage>649</fpage>&#x02013;<lpage>652</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3644077</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Challa</surname> <given-names>V. R. M.</given-names></name> <name><surname>Hall</surname> <given-names>J. F.</given-names></name></person-group> (<year>1994</year>). <article-title>Earthquake collapse analysis of steel frames</article-title>. <source>Earthquake Engng. Struct. Dyn</source>. <volume>23</volume>, <fpage>1199</fpage>&#x02013;<lpage>1218</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.4290231104</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chatzis</surname> <given-names>M. N.</given-names></name> <name><surname>Smyth</surname> <given-names>A. W.</given-names></name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Robust modeling of the rocking problem</article-title>. <source>J. Eng. Mech. ASCE</source>. <volume>138</volume>, <fpage>247</fpage>&#x02013;<lpage>262</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000329</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Drenick</surname> <given-names>R. F.</given-names></name></person-group> (<year>1970</year>). <article-title>Model-free design of aseismic structures</article-title>. <source>J. Eng. Mech. Div. ASCE</source>, <volume>96</volume>, <fpage>483</fpage>&#x02013;<lpage>493</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ger</surname> <given-names>J.-F.</given-names></name> <name><surname>Cheng</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>L. W.</given-names></name></person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Collapse behavior of Pino Suarez building during 1985 Mexico City earthquake</article-title>. <source>J. Struct. Eng. ASCE</source> <volume>119</volume>, <fpage>852</fpage>&#x02013;<lpage>870</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9445(1993)119:3(852)</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hall</surname> <given-names>J. F.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Seismic response of steel frame buildings to near-source ground motions</article-title>. <source>Earthquake Engng. Struct. Dyn</source>. <volume>27</volume>, <fpage>1445</fpage>&#x02013;<lpage>1464</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(SICI)1096-9845(199812)27:12&#x0003C;1445::AID-EQE794&#x0003E;3.0.CO;2-C</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17791340</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hall</surname> <given-names>J. F.</given-names></name> <name><surname>Heaton</surname> <given-names>T. H.</given-names></name> <name><surname>Halling</surname> <given-names>M. W.</given-names></name> <name><surname>Wald</surname> <given-names>D. J.</given-names></name></person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Near-source ground motion and its effects on flexible buildings</article-title>. <source>Earthuake Spectra</source> <volume>11</volume>, <fpage>569</fpage>&#x02013;<lpage>605</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1193/1.1585828</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hayden</surname> <given-names>C. P.</given-names></name> <name><surname>Bray</surname> <given-names>J. D.</given-names></name> <name><surname>Abrahamson</surname> <given-names>N. A.</given-names></name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Selection of near-fault pulse motions</article-title>. <source>J. Geotechn. Geoenviron. Eng. ASCE</source> <volume>140</volume>, <fpage>04014030</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001129</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="editor"><name><surname>Herrmann</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (editor). (<year>1965</year>). <article-title>Dynamic stability of structures</article-title>, in <source>Proceedings of an International Conference Held at Northwestern University, Evanston, Illinois</source> (<publisher-loc>Oxford, Northwestern University</publisher-loc>: <publisher-name>Pergamon Press</publisher-name>).</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hjelmstad</surname> <given-names>K. D.</given-names></name> <name><surname>Williamson</surname> <given-names>E. B.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Dynamic stability of structural systems subjected to base excitation</article-title>. <source>Eng. Struct</source>. <volume>20</volume>, <fpage>425</fpage>&#x02013;<lpage>432</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0141-0296(97)00034-5</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ibarra</surname> <given-names>L. F.</given-names></name> <name><surname>Krawinkler</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <source>Global Collapse of Frame Structures Under Seismic Excitations, PEER Center Report 2005/06</source>. <publisher-loc>Richmond</publisher-loc>.</citation></ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ishida</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Morisako</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Collapse of SDOF system to harmonic excitation</article-title>. <source>J. Eng. Mech. ASCE</source> <volume>111</volume>, <fpage>431</fpage>&#x02013;<lpage>448</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9399(1985)111:3(431)</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="thesis"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iwan</surname> <given-names>W. D.</given-names></name></person-group> (<year>1961</year>). <source>The dynamic response of bilinear hysteretic systems</source> (Ph.D. thesis). <publisher-name>California Institute of Technology, Pasadena</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iwan</surname> <given-names>W. D.</given-names></name></person-group> (<year>1965a</year>). <article-title>The dynamic response of the one-degree-of-freedom bilinear hysteretic system</article-title>, in <source>Proceeding of the Third World Conference on Earthquake Engineering</source> (<publisher-loc>Auckland and Wellington</publisher-loc>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3625711</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iwan</surname> <given-names>W. D.</given-names></name></person-group> (<year>1965b</year>). <article-title>The steady-state response of a two-degree-of-freedom bilinear hysteretic system</article-title>. <source>J. Appl. Mech</source>. <volume>32</volume>, <fpage>151</fpage>&#x02013;<lpage>156</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jarernprasert</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Bazan</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Bielak</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Seismic soil-structure interaction response of inelastic structures</article-title>. <source>Soil Dyn. Earthquake Eng</source>. <volume>47</volume>, <fpage>132</fpage>&#x02013;<lpage>143</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.soildyn.2012.08.008</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jennings</surname> <given-names>P. C.</given-names></name> <name><surname>Husid</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>1968</year>). <article-title>Collapse of yielding structures during earthquakes</article-title>. <source>J. Eng. Mech. ASCE</source> <volume>94</volume>, <fpage>1045</fpage>&#x02013;<lpage>1065</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kalkan</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Kunnath</surname> <given-names>S. K.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Effects of fling step and forward directivity on seismic response of buildings</article-title>. <source>Earthquake Spectra</source> <volume>22</volume>, <fpage>367</fpage>&#x02013;<lpage>390</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1193/1.2192560</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Khaloo</surname> <given-names>A. R.</given-names></name> <name><surname>Khosravi,1</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Hamidi Jamnani</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Nonlinear interstory drift contours for idealized forward directivity pulses using &#x0201C;Modified Fish-Bone&#x0201D; models</article-title>. <source>Advanc. Struct. Eng.</source> <volume>18</volume>, <fpage>603</fpage>&#x02013;<lpage>627</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1260/1369-4332.18.5.603</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Fujita</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Critical double impulse input and bound of earthquake input energy to building structure</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>1</volume>:<fpage>5</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2015.00005</pub-id></citation></ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2015a</year>). <article-title>Critical earthquake response of elastic-plastic structures under near-fault ground motions (part 1: Fling-step input)</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>1</volume>:<fpage>12</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2015.00012</pub-id></citation></ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2015b</year>). <article-title>Critical earthquake response of elastic-plastic structures under near-fault ground motions (Part 2: Forward-directivity input)</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>1</volume>:<fpage>13</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2015.00013</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2015c</year>). <article-title>Critical input and response of elastic-plastic structures under long-duration earthquake ground motions</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>1</volume>:<fpage>15</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2015.00015</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30828657</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2016a</year>). <article-title>Closed-form critical earthquake response of elastic-plastic structures on compliant ground under near-fault ground motions</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>2</volume>:<fpage>1</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2016.00001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2016b</year>). <article-title>Closed-form dynamic stability criterion for elastic-plastic structures under near-fault ground motions</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>2</volume>:<fpage>6</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2016.00006</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Maier</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Perego</surname> <given-names>U.</given-names></name></person-group> (<year>1992</year>). <article-title>Effects of softening in elastic-plastic structural dynamics</article-title>. <source>Int. J. Numerical Methods Eng</source>. <volume>34</volume>, <fpage>319</fpage>&#x02013;<lpage>347</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.1620340120</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Makris</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Black</surname> <given-names>C. J.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Dimensional analysis of rigid-plastic and elastoplastic structures under pulse-type excitations</article-title>. <source>J. Eng. Mech. ASCE</source> <volume>130</volume>, <fpage>1006</fpage>&#x02013;<lpage>1018</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9399(2004)130:9(1006)</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Makris</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Vassiliou</surname> <given-names>M. F.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Planar rocking response and stability analysis of an array of free-standing columns capped with a freely supported rigid beam</article-title>. <source>Earthquake Eng. Struct. Dyn</source>. <volume>42</volume>, <fpage>431</fpage>&#x02013;<lpage>449</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.2222</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mavroeidis</surname> <given-names>G. P.</given-names></name> <name><surname>Dong</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Papageorgiou</surname> <given-names>A. S.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Near-fault ground motions, and the response of elastic and inelastic single-degree-freedom (SDOF) systems</article-title>. <source>Earthquake Eng. Struct. Dyn</source>. <volume>33</volume>, <fpage>1023</fpage>&#x02013;<lpage>1049</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.391</pub-id></citation></ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mavroeidis</surname> <given-names>G. P.</given-names></name> <name><surname>Papageorgiou</surname> <given-names>A. S.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>A mathematical representation of near-fault ground motions</article-title>. <source>Bull. Seism. Soc. Am</source>. <volume>93</volume>, <fpage>1099</fpage>&#x02013;<lpage>1131</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1785/0120020100</pub-id></citation></ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Minami</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Hayashi</surname> <given-names>Y.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Response characteristics evaluation of elastic shear beam for pulse waves</article-title>. <source>J. Struct. Constr. Eng. AIJ</source> <volume>685</volume>, <fpage>453</fpage>&#x02013;<lpage>461</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3130/aijs.78.453</pub-id></citation></ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Moustafa</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Ueno</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Critical earthquake loads for SDOF inelastic structures considering evolution of seismic waves</article-title>. <source>Earthquakes Struct.</source> <volume>1</volume>, <fpage>147</fpage>&#x02013;<lpage>162</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.12989/eas.2010.1.2.147</pub-id></citation></ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mukhopadhyay</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Gupta</surname> <given-names>V. K.</given-names></name></person-group> (<year>2013a</year>). <article-title>Directivity pulses in near-fault ground motions&#x02014;I: identification, extraction and modeling</article-title>. <source>Soil Dyn. Earthquake Eng</source>. <volume>50</volume>, <fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>15</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.soildyn.2013.02.017</pub-id></citation></ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mukhopadhyay</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Gupta</surname> <given-names>V. K.</given-names></name></person-group> (<year>2013b</year>). <article-title>Directivity pulses in near-fault ground motions&#x02014;II: estimation of pulse parameters</article-title>. <source>Soil Dyn. Earthquake Eng</source>. <volume>50</volume>, <fpage>38</fpage>&#x02013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.soildyn.2013.02.019</pub-id></citation></ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nabeshima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Taniguchi</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Closed-form overturning limit of rigid block under critical near-fault ground motions</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>2</volume>:<fpage>9</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2016.00009</pub-id></citation></ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nakajima</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Abe</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Kuranishi</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Effect of multiple collapse modes on dynamic failure of structures with structural instability</article-title>. <source>Struct. Eng. Earthquake Eng. JSCE 7</source>, <fpage>1s</fpage>&#x02013;<lpage>11s</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2208/jscej.1990.416_13</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rupakhety</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Sigbj&#x000F6;rnsson</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Can simple pulses adequately represent near-fault ground motions?</article-title> <source>J. Earthquake Eng</source>. <volume>15</volume>,<fpage>1260</fpage>&#x02013;<lpage>1272</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/13632469.2011.565863</pub-id></citation></ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Saotome</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Kojima</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I</given-names></name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Collapse-limit input level of critical double impulse for damped bilinear hysteretic SDOF system with negative post-yield stiffness</article-title>. <source>Front. Built Environ.</source> <volume>5</volume>:<fpage>106</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbuil.2019.00106</pub-id></citation></ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sasani</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Bertero</surname> <given-names>V. V.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Importance of severe pulse-type ground motions in performance-based engineering: historical and critical review</article-title>, <source>in Proceedings of the Twelfth World Conference on Earthquake Engineering</source> (<publisher-loc>Auckland</publisher-loc>).</citation></ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sivaselvan</surname> <given-names>M. V.</given-names></name> <name><surname>Lavan</surname> <given-names>O.</given-names></name> <name><surname>Dargush</surname> <given-names>G. F.</given-names></name> <name><surname>Kurino</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Hyodo</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Fukuda</surname> <given-names>R.</given-names></name> <etal/></person-group>. (<year>2009</year>). <article-title>Numerical collapse simulation of large-scale structural systems using an optimization-based algorithm</article-title>. <source>Earthquake Engng Struct. Dyn</source>. <volume>38</volume>, <fpage>655</fpage>&#x02013;<lpage>677</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.895</pub-id></citation></ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sun</surname> <given-names>C.-K.</given-names></name> <name><surname>Berg</surname> <given-names>G. V.</given-names></name> <name><surname>Hanson</surname> <given-names>R. D.</given-names></name></person-group> (<year>1973</year>). <article-title>Gravity effect on single-degree inelastic system</article-title>. <source>J. Eng. Mech. Div. ASCE</source> <volume>99</volume>, <fpage>183</fpage>&#x02013;<lpage>200</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Robust building stiffness design for variable critical excitations</article-title>. <source>J. Struct. Eng. ASCE</source> <volume>128</volume>, <fpage>1565</fpage>&#x02013;<lpage>1574</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9445(2002)128:12(1565)</pub-id></citation></ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <source>Critical Excitation Methods in Earthquake Engineering, Elsevier, Amsterdam, 2nd Edn in 2013</source> (<publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier</publisher-name>).</citation></ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Takizawa</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Jennings</surname> <given-names>P. C.</given-names></name></person-group> (<year>1980</year>). <article-title>Collapse of a model for ductile reinforced concrete frames under extreme earthquake motions</article-title>. <source>Earthquake Engng Struct. Dyn.</source> <volume>8</volume>, <fpage>117</fpage>&#x02013;<lpage>144</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.4290080204</pub-id></citation></ref>
<ref id="B55">
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tanabashi</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>Nakamura</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Ishida</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>1973</year>). <article-title>Gravity effect on the catastrophic dynamic response of strain-hardening multi-story frames</article-title>, in <source>Proceedings of 5th World Conference. on Earthquake Engineering</source> (<publisher-loc>Rome</publisher-loc>), <fpage>2140</fpage>&#x02013;<lpage>2149</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B56">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Uetani</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Tagawa</surname> <given-names>H.</given-names></name></person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Criteria for suppression of deformation concentration of building frames under severe earthquakes</article-title>. <source>Eng. Struct</source>. <volume>20</volume>, <fpage>372</fpage>&#x02013;<lpage>383</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0141-0296(97)00021-7</pub-id></citation></ref>
<ref id="B57">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Vafaei</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Eskandari</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Seismic response of mega buckling-restrained braces subjected to fling-step and forward-directivity near-fault ground motions</article-title>. <source>Struct. Design Tall Spec. Build</source>. <volume>24</volume>, <fpage>672</fpage>&#x02013;<lpage>686</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/tal.1205</pub-id></citation></ref>
<ref id="B58">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Williamson</surname> <given-names>E. B.</given-names></name> <name><surname>Hjelmstad</surname> <given-names>K. D.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Nonlinear dynamics of a harmonically-excited inelastic inverted pendulum</article-title>. <source>J. Eng. Mech. ASCE</source> <volume>127</volume>, <fpage>52</fpage>&#x02013;<lpage>57</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(ASCE)0733-9399(2001)127:1(52)</pub-id></citation></ref>
<ref id="B59">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xu</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>Agrawal</surname> <given-names>A. K.</given-names></name> <name><surname>He</surname> <given-names>W.-L.</given-names></name> <name><surname>Tan</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Performance of passive energy dissipation systems during near-field ground motion type pulses</article-title>. <source>Eng. Struct</source>. <volume>29</volume>, <fpage>224</fpage>&#x02013;<lpage>236</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2006.04.020</pub-id></citation></ref>
<ref id="B60">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yamamoto</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Fujita</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Takewaki</surname> <given-names>I.</given-names></name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Instantaneous earthquake input energy and sensitivity in base-isolated building</article-title>, <source>Struct. Design Tall Spec. Build.</source> <volume>20</volume>, <fpage>631</fpage>&#x02013;<lpage>648</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/tal.539</pub-id></citation></ref>
<ref id="B61">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yang</surname> <given-names>D.</given-names></name> <name><surname>Zhou</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A stochastic model and synthesis for near-fault impulsive ground motions</article-title>. <source>Earthquake Eng. Struct. Dyn</source>. <volume>44</volume>, <fpage>243</fpage>&#x02013;<lpage>264</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/eqe.2468</pub-id></citation></ref>
<ref id="B62">
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhai</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Chang</surname> <given-names>Z.</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>Z.-Q.</given-names></name> <name><surname>Xie</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Quantitative identification of near-fault pulse-like ground motions based on energy</article-title>. <source>Bull. Seism. Soc. Am</source>. <volume>103</volume>, <fpage>2591</fpage>&#x02013;<lpage>2603</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1785/0120120320</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> Part of the present work was supported by the Grant-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI) of Japan Society for the Promotion of Science (Nos. 17K18922, 18H01584). This support is greatly appreciated.</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article>