In this paper, a Performance Based Design (PBD) approach is validated for multi-storey concentrically braced frame (CBF) systems. Direct Displacement Based Design (DDBD) procedure is used and validated by designing 4- and 12-storey CBF buildings. Nonlinear time history analysis (NLTHA) is used to check the performance of the design methodology by employing different accelerograms having displacement spectra matching the design displacement spectrum. Displacements and drifts obtained from NLTHA are found to fall within the design displacement limits used in the DDBD procedure. In NLTHA, both tension and compression members are found to be resisting the base shear, $F_b$, not only the tension members as assumed in the design methodology and suggested by Eurocode 8. This is the reason that the total $F_b$ in NLTHA is found to be greater than the design shear forces. Furthermore, it is found that the average of the maximum ductility values recorded from the time history analyses for the 4-and 12-storey buildings are close to the design ductility obtained from the DDBD methodology and ductility expressions established by several researchers. Moreover, the DDBD is compared to the Forced Based Design (FBD) methodology for CBFs. The comparison is carried out by designing 4 and 12-storey CBF buildings using both DDBD and FBD methodologies. The performance for both methodologies is verified using NLTHA. It is found that the $F_b$ from FBD is larger than $F_b$ obtained from DDBD. This leads to the use of larger sections for the structure designed by FBD to resist the lateral forces.
Sharma, Vijay;Shrimali, Mahendra K.;Bharti, Shiv D.;Datta, Tushar K.
Steel and Composite Structures
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v.41
no.5
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pp.713-730
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2021
The seismic performance of rigid steel frames is widely investigated, but that of semi-rigid (SR) steel frames are not studied extensively, especially for near-field earthquakes. In this paper, the performances of five and ten-story steel SR frames having different degrees of semi-rigidity are evaluated at four performance points in the four different deformation states, namely, the elastic, elasto-plastic, plastic, and near collapse states. The performances of the SR frames are measured by the response parameters including the maximum values of the top floor displacement, base shear, inter-story drift ratio, number of plastic hinges, and SRSS of plastic hinge rotations. These response parameters are obtained by the capacity spectrum method (CSM) using pushover analysis. The validity of the response parameters determined by the CSM is evaluated by the results of the nonlinear time history analysis (NLTHA) for both near and far-field earthquakes at different PGA levels, which are consistent with the performance points. Results of the study show that the plastic hinges of SR frame significantly increase in the range of plastic to near-collapse states for both near and far-field earthquakes. The effect of the degree of semi-rigidity is pronounced only at higher degrees of semi-rigidity. The predictions of the CSM are fairly well in comparison to the NLTHA.
The direct displacement based design (DDBD) approach is spreading in the field of seismic design for many types of structures. This paper is carried out to present a robust approach for the DDBD procedure for single degree of freedom (SDOF) concentrically braced frames (CBFs). Special attention is paid to the choice of an equivalent viscous damping (EVD) model that represents the behaviour of a series of full scale shake table tests. The performance of the DDBD methodology of the CBFs is verified by two ways. Firstly, by comparing the DDBD results with a series of full-scale shake table tests. Secondly, by comparing the DDBD results with a quantified nonlinear time history analysis (NLTHA). It is found that the DDBD works relatively well and could predict the base shear forces ($F_b$) and the required brace cross sectional sizes of the actual values obtained from shake table tests and NLTHA. In other words, when comparing the ratio of $F_b$ estimated from the DDBD to the measured values in shake table tests, the mean and coefficient of variation ($C_V$) are found to be 1.09 and 0.12, respectively. Moreover, the mean and $C_V$ of the ratios of $F_b$ estimated from the DDBD to the values obtained from NLTHA are found to be 1.03 and 0.12, respectively. Thus, the DDBD methodology presented in this paper has been shown to give accurate and reliable results.
A comprehensive study on seismic performance of wood frame building in hilly regions is presented. Specifically, seismic fragility assessment of a typical wood frame building at various locations of the northeast region of India are demonstrated. A three-dimensional simplified model of the wood frame building is developed with due consideration to nonlinear behaviour of shear walls under lateral loads. In doing so, a trilinear model having improved capability to capture the force-deformation behaviour of shear walls including the strength degradation at higher deformations is proposed. The improved capability of the proposed model to capture the force-deformation behaviour of shear wall is validated by comparing with the existing experimental results. The structural demand values are obtained from nonlinear time history analysis (NLTHA) of the three-dimensional wood frame model considering the effect of uncertainty due to record to record variation of ground motions and structural parameters as well. The ground motion bins necessary for NLTHA are prepared based on the identified hazard level from probabilistic seismic hazard analysis of the considered locations. The maximum likelihood estimates of the lognormal fragility parameters are obtained from the observed failure cases and the seismic fragilities corresponding to different locations are estimated accordingly. The results of the numerical study show that the wood frame constructions commonly found in the region are likely to suffer minor cracking or damage in the shear walls under the earthquake occurrence corresponding to the estimated seismic hazard level; however, poses negligible risk against complete collapse of such structures.
During the seismic performance assessment of existing buildings, staircases are generally not taken into account as structural members but as dead load. Staircases, as secondary structural members, not only serve for connecting successive floors but also provide considerable amount of strength and stiffness to the building which can modify its seismic behaviour considerably. In this parametric study, the influence of staircases on the seismic response of substandard RC frame buildings which differ in number of storey and span, presence of staircase and its position has been examined. Modal Analyses and bi-directional Non-Linear Time History Analyses (NLTHA) were conducted to compare several engineering demand parameters (EDPs) such as inter-storey drift ratio (ISDR), floor accelerations, modal properties, member shear forces and plastic hinge distribution. Additionally, short column effect, variation in shear forces of columns that are attached to the staircase slab, failure and deformation in staircase models have also been investigated. As the staircase was considered in the analytical model, a different damage pattern can be developed especially in the structural components close to staircase.
In this study, it is aimed to investigate the vertical seismic performance of reinforced concrete (R/C) frame buildings in two different building stocks, one of which consists of those designed as per the previous Turkish Seismic Code (TSC-2007) that does not consider the vertical earthquake load, and the other of which consists of those designed as per the new Turkish Seismic Code (TSCB-2018) that considers the vertical earthquake load. For this aim, three R/C buildings with heights of 15 m, 24 m and 33 m are designed separately as per TSC-2007 and TSCB-2018 based on some limitations in terms of seismic zone, soil class and structural behavior factor (Rx/Ry) etc. The vertical earthquake motion effects are identified according to the linear time-history analyses (LTHA) that are performed separately for only horizontal (H) and combined horizontal+vertical (H+V) earthquake motions. LTHA is performed to predict how vertical earthquake motion affects the response of the designed buildings by comparing the linear response parameters of the base shear force, the base overturning, the base axial force, top-story vertical displacement. Nonlinear time-history analysis (NLTHA) is generally required for energy dissipative buildings, not required for design of buildings. In this study, the earthquake records are scaled to force the buildings in the linear range. Since nonlinear behavior is not expected from the buildings herein, the nonlinear time-history analysis (NLTHA) is not considered. Eleven earthquake acceleration records are considered by scaling them to the design spectrum given in TSCB-2018. The base shear force is obtained not to be affected from the combined H+V earthquake load for the buildings. The base overturning moment outcomes underline that the rigidity of the frame system in terms of the dimensions of the columns can be a critical parameter for the influence of the vertical earthquake motion on the buildings. In addition, the building stock from TSC-2007 is estimated to show better vertical earthquake performance than that of TSCB-2018. The vertical earthquake motion is found out to be highly effective on the base axial force of 33 m building rather than 15 m and 24 m buildings. Thus, the building height is a particularly important parameter for the base axial force. The percentage changes in the top-story vertical displacement of the buildings designed for both codes show an increase parallel to that in the base axial force results. To extrapolate more general results, it is clear to state that many buildings should be analyzed.
Karimiyan, Somayyeh;Kashan, Ali Husseinzadeh;Karimiyan, Morteza
Earthquakes and Structures
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v.6
no.5
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pp.473-494
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2014
Progressive collapse, which is referred to as the collapse of the entire building under local damages, is a common failure mode happened by earthquakes. The collapse process highly depends on the whole structural system. Since, asymmetry of the building plan leads to the local damage concentration; it may intensify the progressive collapse mechanism of asymmetric buildings. In this research the progressive collapse of regular and irregular 6-story RC ordinary moment resisting frame buildings are studied in the presence of the earthquake loads. Collapse process and collapse propagation are investigated using nonlinear time history analyses (NLTHA) in buildings with 5%, 15% and 25% mass asymmetry with respect to the number of collapsed hinges and story drifts criteria. Results show that increasing the value of mass eccentricity makes the asymmetric buildings become unstable earlier and in the early stages with lower number of the collapsed hinges. So, with increasing the mass eccentricity in building, instability and collapse of the entire building occurs earlier, with lower potential of the progressive collapse. It is also demonstrated that with increasing the mass asymmetry the decreasing trend of the number of collapsed beam and column hinges is approximately similar to the decreasing trend in the average story drifts of the mass centers and stiff edges. So, as an alternative to a much difficult-to-calculate local response parameter of the number of collapsed hinges, the story drift, as a global response parameter, measures the potential of progressive collapse more easily.
This study investigates the impact of the earthquake incident angle on the structural demand and the influence of ground motion selection and scaling methods on seismic directionality effects. The structural demand produced by Non-Linear Time-History Analyses (NLTHA) varies with the seismic input incidence angle. The seismic directionality effects are evaluated by subjecting four three-dimensional reinforced concrete structures to different scaled and un-scaled records oriented along nine incidence angles, whose values range between 0 and 180 degrees, with an increment of 22.5 degrees. The results show that NLTHAs performed applying the ground motion records along the principal axes underestimate the structural demand prediction, especially when plan-irregular structures are analyzed. The ground motion records generate the highest demand when applied along the lowest strength structural direction and a high energy content of the records increases the structural demand corresponding to this direction. The seismic directionality impact on structural demand is particularly important for irregular buildings subjected to un-scaled accelerograms. However, the orientation effects are much lower if spectrum-compatible combinations of scaled records are used. In both cases, irregular structures should be analyzed first with pushover analyses in order to identify the weaker structural directions and then with NLTHAs for different incidence angles.
In this study, a new seismic retrofit scheme of building structures is developed by combining a steel moment frame and steel slit plates to be installed inside of an existing reinforced concrete frame. This device has the energy dissipation capability of slit dampers with slight loss of stiffness compared to the conventional steel frame reinforcement method. In order to investigate the seismic performance of the retrofit system, it was installed inside of a reinforced concrete frame and tested under cyclic loading. Finite element analysis was carried out for validation of the test results, and it was observed that the analysis and the test results match well. An analytical model was developed to apply the retrofit system to a commercial software to be used for seismic retrofit design of an example structure. The effectiveness of the retrofit scheme was investigated through nonlinear time-history response analysis (NLTHA). The cyclic loading test showed that the steel frame with slit dampers provides significant increase in strength and ductility to the bare structure. According to the analysis results of a case study building, the proposed system turned out to be effective in decreasing the seismic response of the model structure below the given target limit state.
Indonesia has had seismic codes for earthquake-resistant structures designs since 1970 and has been updated five times to the latest in 2019. In updating the Indonesian seismic codes, seismic hazard maps for design also update, and there are changes to the Peak Ground Acceleration (PGA). Indonesian seismic design uses the concept of building performance levels consisting of Immediate occupancy (IO), Life Safety (LS), and Collapse Prevention (CP). Related to this performance level, cases still found that buildings were damaged more than their performance targets after the earthquake. Based on the above issues, this study aims to analyze the performance of base isolation design on existing target buildings and analyze the seismic fragility for a case study in Indonesia. The target building is a prototype design 8-story medium-rise residential building using the reinforced concrete moment frame structure. Seismic fragility analysis uses Incremental Dynamic Analysis (IDA) with Nonlinear Time History Analysis (NLTHA) and eleven selected ground motions based on soil classification, magnitude, fault distance, and earthquake source mechanism. The comparison result of IDA shows a trend of significant performance improvement, with the same performance level target and risk category, the base isolation structure can be used at 1.46-3.20 times higher PGA than the fixed base structure. Then the fragility analysis results show that the fixed base structure has a safety margin of 30% and a base isolation structure of 62.5% from the PGA design. This result is useful for assessing existing buildings or considering a new building's performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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