In this study, the effect of presence and distribution of masonry infill walls on the mid-rise steel frame structures having soft ground storey was evaluated by implementing finite element (FE) methods. Masonry infill walls were distributed randomly in the upper storey keeping the ground storey open without any infill walls, thus generating the worst case scenario for seismic events. It was observed from the analysis that there was an increase in the seismic design forces, moments and base shear in presence of randomly distributed masonry infill walls which underlines that these design values need to be amplified when designing a mid-rise soft ground storey steel frame with randomly distributed masonry infill. In addition, it was found that the overstrength related force modification factor increased and the ductility related force modification factor decreased with the increase in the amount of masonry infilled bays and panels. These must be accounted for in the design of mid-rise steel frames. Based on the FE analysis results on two mid-rise steel frames, design equations were proposed for determining the over strength and the ductility related force modification factors. However, it was recommended that these equations to be generalized for other steel frame structure systems based on an extensive analysis.
본 연구에서는 다제약 설계변수를 갖는 비선형 문제를 무제약 최소화 문제로 전환하는 축차무제약 최소화기법(SUMT)과 효과적인 강골조의 2차비탄성해석 방법 중의 하나인 개선소성힌지해석 방법을 접목시킨 평면 강골조의 연속최적설계 모델 및 프로그램을 개발하였다. 최적설계를 위한 목적함수로는 강골조물을 구성하는 모든 부재의 중량 합을, 제약조건으로는 AISC-LRFD의 휨강도, 전단강도, 압축 및 인장강도, 국부좌굴 및 부재좌굴, 그리고 단면형상 등에 관한 설계기준을 사용하였다. 본 연구에서 개발한 연속최적설계 모델을 이용하여 여러 평면 강골조의 최적설계를 수행하였으며, 최적설계 견과로부터 개발한 연속최적설계 모델의 사용성, 타당성, 효율성 및 경제성 등을 검토하였다.
A steel frame is one of the most commonly used structural systems due to its resistance to various types of applied loads. Many studies have been conducted to investigate the effects of connection flexibility, support conditions, and beam-to-column stiffness ratio on the story drift of a frame. Based on the results of these studies, several design guides have been proposed. This research has been conducted to predict the actual behavior of a double angle connection, and to establish its effect on the story drift and the maximum allowable load of a steel frame. For these purposes, several experimental tests were conducted and a simplified analytical model was proposed. This simplified analytical model consists of four spring elements as well as a column member. In addition, a point bracing system was proposed to control the excessive story drift of an unbraced steel frame.
Open ground story (OGS) reinforced concrete (RC) buildings are vulnerable to the complete collapse or severe damages under seismic actions. This study investigates the effectiveness of four different strengthening techniques representing the local and global modifications to improve the seismic performance of a non-ductile RC OGS frame. Steel caging and concrete jacketing methods of column strengthening are considered as the local modification techniques, whereas steel bracing and RC shear wall systems are selected as the global strengthening techniques in this study. Performance-based plastic design (PBPD) approach relying on energy-balance concept has been adopted to determine the required design force demand on the strengthening elements. Nonlinear static and dynamic analyses are carried out on the numerical models of study frames to assess the effectiveness of selected strengthening techniques in improving the seismic performance of OGS frame.. Strengthening techniques based on steel braces and RC shear wall significantly reduced the peak interstory drift response of the OGS frame. However, the peak floor acceleration of these strengthened frames is amplified by more than 2.5 times as compared to that of unstrengthened frame. Steel caging technique of column strengthening resulted in a reasonable reduction in the peak interstory drift response without substantial amplification in peak floor acceleration of the OSG frame.
Choi, Byoung-Han;Gupta, Abhinav;Baugh, John W. Jr.
Structural Engineering and Mechanics
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제43권1호
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pp.31-51
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2012
This paper presents a computational study that explores the design of rigid steel frames by considering construction related costs. More specifically, two different aspects are investigated in this study focusing on the effects of (a) reducing the number of labor intensive rigid connections within a frame of given geometric layout, and (b) reducing the number of different member section types used in the frame. A genetic algorithm based optimization framework searches design space for these objectives. Unlike some studies that express connection cost as a factor of the entire frame weight, here connections and their associated cost factors are explicitly represented at the member level to evaluate the cost of connections associated with each beam. In addition, because variety in member section types can drive up construction related costs, its effects are evaluated implicitly by generating curves that show the trade off between cost and different numbers of section types used within the frame. Our results show that designs in which all connections are considered to be rigid can be excessively conservative: rigid connections can often be eliminated without any appreciable increase in frame weight, resulting in a reduction in overall cost. Eliminating additional rigid connections leads to further reductions in cost, even as frame weight increases, up to a certain point. These complex relationships between overall cost, rigid connections, and member section types are presented for a representative five-story steel frame.
Timber is one of the few natural, renewable building materials and glulam is a type of engineering wood product. In the present work, timber-based braces are applied for retrofitting midrise Special Moment Resisting Frame (SMRF) using two types of timber base braces (Timber base glulam, and hybrid Timber-Steel-BRB) as alternatives for retrofitting by traditional steel bracings. The improving effects of adding the bracings to the SMRF on seismic characteristics of the frame are evaluated using load-bearing capacity, energy dissipation, and story drifts of the frame. For evaluating the retrofitting effects on the seismic performance of SMRF, a five-story SMRF is considered unretofitted and retrofitted with steel-hollow structural section (HSS) brace, Glued Laminated Timber (Glulam) brace, and hybrid Timber-Steel BRB. Using OpenSees structural analyzer, the performance are investigated under pushover, cyclic, and incremental loading. Results showed that steel-HSS, timber base Glulam, and hybrid timber-steel BRB braces have more significant roles in energy dissipation, increasing stiffness, changing capacity curves, reducing inter-story drifts, and reducing the weight of the frames, compared by steel bracing. Results showed that Hybrid BRB counteract the negative post-yield stiffness, so their use is more beneficial on buildings where P-Delta effects are more critical. It is found that the repair costs of the buildings with hybrid BRB will be less due to lower residual drifts. As a result, timber steel-BRB has the best energy dissipation and seismic performance due to symmetrical and stable hysteresis curves of buckling restrained braces that can experience the same capacities in tension and compression.
This paper investigates the design using wind-moment method for semi-rigid un-braced steel frames bending on weak axis. A limiting sway method has been proposed to reduce the frame sway. Allowance for steel section optimization between moment of inertia on minor axis column and major axis beam was used in conjunction with slope-deflection analysis to derive equations for optimum design in the proposed method. A series of un-braced steel frames comprised of two, four, and six bays ranging in height of two and four storey were studied on minor axis framing. The frames were designed for minimum gravity load in conjunction with maximum wind load and vice-versa. The accuracy of the design equation was found to be in good agreement with linear elastic computer analysis up to second order analysis. The study concluded that the adoption of wind-moment method and the proposed limiting sway method for semi-rigid steel frame bending on weak axis should be restricted to low-rise frames not more than four storey.
This study experimentally evaluated the seismic performance of steel knee braced frame structures with energy dissipation mechanism. A series of cyclic load tests were conducted on the steel moment resisting frames and the proposed knee braced frames. Test results validated that the demand in the beam-to-column connection designs was alleviated by the proposed design method. Test results also showed that the strength and stiffness of the proposed design were effectively enhanced. Comparisons in energy dissipation between the steel moment resisting frames and the steel knee braced frames further justified the applicability of the proposed method.
Steel construction is one of the commonly used methods in building construction due to its efficiency in terms of time and cost. In particular, the top-down method using steel frames is widely used in the construction of underground structures in urban areas to shorten the construction period. However, there is currently no standardized cost estimation for subway steel frame construction in Korea, causing difficulties in determining the expected cost. In this study, we aim to provide basic data for establishing a cost estimation standard for subway steel frame construction through on-site surveys of subway steel frame construction commonly used in urban areas.
Magnesium has a long tradition of use as a lightweight material in the field of automotive industry. This paper presents the design optimization process of Mg armrest frame to minimize its weight by replacing the steel frame. formerly, the analysis of steel armrest frame was peformed to determine the design specifications for Mg armrest frame. The initial design of Mg armrest frame was carried out by topological optimization technique. After six types of design variables and four types of response variables were defined, DOE(Design of Experiment) and RSM (Response Surface Method) were applied in order to measure sensitivity of design variables and realize optimization through regression model. After design optimization, the weight of the optimized Mg armrest frame was reduced by about 3% compared to the initial design of the Mg frame and was decreased by 41.7% in comparison with that of the steel frame. Some prototypical armrest frames were also made by die casting process and tested. The results were satisfying for its design specifications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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