The use of steel pipe dampers (SPD) as fuses or interchangeable elements in the steel moment-resisting frames (MRF) is one of the newest methods for improving seismic performance. In the present study, the performance of steel pipe dampers in MRF has been investigated. Evaluation of MRF with and without SPD models were performed using the finite element method by ABAQUS. For validation, an MRF and MRF with steel pipe dampers were modeled that had been experimentally tested and reported in previous experimental research and a good agreement was observed. The behavior of these dampers in frames of 3, 6, and 9 stories was studied by modeling the damper directly. Nonlinear time history dynamic analysis was used. It was observed that by increasing the number of stories in the buildings, steel pipe dampers should be used to perform properly against earthquakes. The installation of steel pipe dampers in steel moment-resisting frames shows that the drift ratio between the floors is reduced and the seismic performance of these frames is improved.
This study investigated the yielding capacity and performance of seismic dampers constructed with steel ring plates using numerical and analytical approaches. This study aims to provide an analytical relationship for estimating the yielding capacity and initial stiffness of steel ring dampers. Using plastic analysis and considering the mechanism of plastic hinge formation, a relation has been obtained for estimating the yielding capacity of steel ring dampers. Extensive parametric studies have been carried out using a nonlinear finite element method to examine the accuracy of the obtained analytical relationships. The parametric studies include investigating the influence of the length, thickness, and diameter of the ring of steel ring dampers. To this end, comprehensive verification studies are performed by comparing the numerical predictions with several reported experimental results to demonstrate the numerical method's reliability and accuracy. Comparison is made between the hysteresis curves, and failure modes predicted numerically or obtained/observed experimentally. Good agreement is observed between the numerical simulations and the analytical predictions for the yielding force and initial stiffness. The difference between the numerical models' ultimate tensile and compressive capacities was observed that average of about 22%, which stems from the performance of the ring-dampers in the tensile and compression zones. The results show that the steel ring-dampers are exhibited high energy dissipation capacity and ductility. The ductility parameters for steel ring-damper between values were 7.5 to 4.1.
Using fluid dampers to connect adjacent buildings for enhancing their seismic resistant performance has been recently investigated but limited to linear elastic adjacent buildings only. This paper presents a study of inelastic seismic response of adjacent buildings linked by fluid dampers. A nonlinear finite element planar model using plastic beam element is first constructed to simulate two steel frames connected by fluid dampers. Computed linear elastic seismic responses of the two steel frames with and without fluid dampers under moderate seismic events are then compared with the experimental results obtained from shaking table tests. Finally, elastic-plastic seismic responses of the two steel frames with and without fluid dampers are extensively computed, and the fluid damper performance on controlling inelastic seismic response of the two steel frames is assessed. The effects of the fundamental frequency ratio and structural damping ratio of the two steel frames on the damper performance are also examined. The results show that not only in linear elastic stage but also in inelastic stage, the seismic resistant performance of the two steel frames of different fundamental frequencies can be significantly enhanced if they are properly linked by fluid dampers of appropriate parameters.
Ali Banazadeh;Ahmad Maleki;Mohammad Ali Lotfollahi Yaghin
Earthquakes and Structures
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제25권4호
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pp.223-234
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2023
The use of displacement-dependent rotational friction dampers (RFD) as fuses or interchangeable elements in the moment-resisting frames (MRF) is one of the newest methods for improving seismic performance. In the present study, the performance of rotational friction dampers in MRF has been investigated. Evaluation of MRF with and without RFD models was performed using the finite element method by ABAQUS. For validation, an MRF and MRF with rotational friction dampers were modeled that had been experimentally tested and reported in previous experimental research and a good agreement was observed. The behavior of these dampers in frames of 3-, 6-, and 9-story was studied by modeling the damper directly. Nonlinear time history dynamic analysis was used. It was observed that by increasing the number of stories in the buildings, rotational friction dampers should be used to perform properly against earthquakes. The installation of rotational friction dampers in steel moment-resisting frames shows that the drift ratio between the floors is reduced and the seismic performance of these frames is improved.
A convenient procedure for seismic retrofit of existing buildings is to use passive control methods, like using friction dampers in steel frames with bracing systems. In this method, reduction of seismic demand and increase of ductility generally improve seismic performance of the structures. Some of its advantages are development of a stable rectangular hysteresis loop and independence on environmental conditions such as temperature and loading rate. In addition to friction dampers, masonry-infill panels improve the seismic resistance of steel structures by increasing lateral strength and stiffness and reducing story drifts. In this study, the effect of masonry-infill panels on seismic performance of a three-span four-story steel frame with Pall friction dampers is investigated. The results show that friction dampers in the steel frame increase the ductility and decrease the drift (to less than 1%). The infill panels fulfill their function during the imposed drift and increase structural strength. It can be concluded that infill panels together with friction dampers, reduced structural dynamic response. These infill panels dissipated input earthquake energy from 4% to 10%, depending on their thickness.
In this paper passive seismic retrofit devices for building structures developed by the author in recent years are introduced. The proposed damping devices were developed by slightly modifying the configuration of conventional devices and enhancing their effectiveness. First a seismic retrofit system consisting of a pin-jointed steel frame and rotational friction dampers installed at each corner of the steel frame was developed. Then two types of steel slit dampers were developed; box-type slit damper and multi-slit damper. In addition, hybrid dampers were developed by combining a slit damper and a friction damper connected in parallel. Finally a self-centering system was developed by using preloaded tendons and viscous dampers connected in series. For each retrofit system developed, an appropriate analytical model was developed, and the seismic performance was verified by loading test and earthquake analysis of case study structures. The experimental and analysis results show that the proposed systems can be used efficiently to enhance the seismic performance of building structures.
본 연구에서는 RC골조의 내진보강을 위해 K형브레이스로 지지되는 강재댐퍼 설치방식을 제안하고 강재댐퍼에 의한 RC골조의 내진보강효과를 실험 및 설계식의 비교를 통해 검증하였다. 강재댐퍼로 보강된 RC골조의 성능은 RC골조 및 강재댐퍼의 강도-변형 관계를 각각 산정한 후 조합하여 산정하였다. 강재댐퍼 지지부재의 강성이 충분히 크지 않을 경우 댐퍼의 성능이 제대로 발휘될 수 없으므로 댐퍼의 지지부재인 브레이스의 강성 고려하여 강재댐퍼의 성능을 산정 하였다. 강재댐퍼 보강 RC골조의 내진보강효과를 확인하기 위한 실험은 비보강 RC골조를 기준 실험체로 하고 K형브레이스로 지지되는 강재 댐퍼의 설치 방법을 변수로 하여 횡력에 대한 실험체의 강도, 강성, 이력특성 등의 항목에 대해 평가하였다. 강재댐퍼 보강 RC골조는 강도, 강성, 에너지소산능력이 비보강 RC골조에 비해 우수한 것으로 나타나 강재댐퍼에 의한 보강효과를 확인할 수 있었다. 강재댐퍼 보강 RC골조의 실험결과와 설계식에 의한 성능을 비교한 결과 설계식이 강재댐퍼 보강 RC골조의 성능을 비교적 유사하게 나타낼 수 있는 것으로 검증되었다.
The rigid steel connections were suffered severe damage because of low rotational capacity during earthquakes. Hence, many investigations have been conducted on the connections of steel structures. As a solution, steel slit dampers were employed at the connections to prevent brittle failure of connections and damage of main structural members. Slit damper is a plate or a standard section with a number of slits in the web. The objective of this paper is to improve the seismic performance of steel slit dampers in the beam-to-column connection using finite element modeling. With reviewing the previous investigations, it is observed that slit dampers were commonly fractured in the end parts of the struts. This may be due to the low participation of struts middle parts in the energy dissipation. Thus, in the present study slit damper with elliptic slits is proposed in such a way that end parts of struts have more energy absorption area than struts middle parts. A parametric study is conducted to investigate the effects of geometric parameters of elliptic slit damper such as strut width, strut height and plate thickness on the seismic performance of the beam-to-column connection. The stress distribution is improved along the struts in the proposed slit damper with elliptic slits and the stress concentration is decreased in the end parts of struts. The average contributions of elliptic slit dampers, beam and other sections to the energy dissipation are about 97.19%, 2.12% and 0.69%, respectively.
Coupling adjacent steel frame using elastic dampers for control of response to low and moderate dynamic event is investigated in this paper. The complex modal superposition method is first used to determine dynamic characteristic, mainly modal damping ratio and modal frequency, of damper linked linear adjacent steel frame for fractical use. Dynamic response of steel frame linked by hydraulic-excitation method. This combined method can efectively and accurately determine dynamic response of non-clasically damped systems in the frequency domain. Parametric studties are finally performed to identify optimal parameters of elastic dampers for achieving the maximum modal damping ratio or the maximum response reduction of steel frame. It is demonstrated that using discrete elasatic dampers of proper parameters to link steel frame can reduce dynamic response significantly.
The insertion of steel braces has become a common technique to limit the deformability of steel framed buildings subjected to wind loads. However, when this technique is inadequate to keep floor accelerations within acceptable levels of human comfort, dampers placed in series with the steel braces can be adopted. To check the effectiveness of braces equipped with viscoelastic (VEDs) or friction dampers (FRDs), a numerical investigation is carried out focusing attention on a three-bay fifteen-storey steel framed building with K-braces. More precisely, three alternative structural solutions are examined for the purpose of controlling wind-induced vibrations: the insertion of additional diagonal braces; the insertion of additional diagonal braces equipped with dampers; the insertion of both additional diagonal braces and dampers supported by the existing K-braces. Additional braces and dampers are designed according to a simplified procedure based on a proportional stiffness criterion. A dynamic analysis is carried out in the time domain using a step-by-step initial-stress-like iterative procedure. Along-wind loads are considered at each storey assuming the time histories of the wind velocity, for a return period $T_r=5$ years, according to an equivalent wind spectrum technique. The behaviour of the structural members, except dampers, is assumed linear elastic. A VED and an FRD are idealized by a six-element generalized model and a bilinear (rigid-plastic) model, respectively. The results show that the structure with damped additional braces can be considered, among those examined, the most effective to control vibrations due to wind, particularly the floor accelerations. Moreover, once the stiffness of the additional braces is selected, the VEDs are slightly more efficient than the FRDs, because they, unlike the FRDs, dissipate energy also for small amplitude vibrations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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