Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.9
no.1
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pp.111-119
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2005
This study presents continuous and discrete optimum design algorithm and computer programs for unbraced and braced steel frame structures under earthquake loads. The program, which is avaliable to perform structural analysis and optimum design, continuous and discrete, simultaneously is developed. And the program adopts various braced types, Untraced, Z-braced(V), Z-braced(inverse-V), X-braced(A), X-braced(B), X-braced(C) and K-braced, in steel structures with static loads and seismic effects. The objectives in this optimization are to minimize the total weight of steel, and design variables, based on the ultimate strength requirements of AISC-ASD specifications, the serviceability requirements and allowable story drift requirements of ATC-3-06, and various constraints. The purpose is to present proper braced type for seismic effects by comparing and analysing results of various cases.
There are many studies in the literature conducted on the subject of ensuring earthquake safety of reinforced concrete and steel structures using steel braced frames, but no detailed study concerning individual behavior of steel braced frames under earthquake loads and strengthening of reinforced concrete structures with out-of-plane steel braced frames has been encountered. In this study, in order to evaluate behaviors of "Concentrically Steel Braced Frames" types defined in TEC-2007 under lateral loads, dimensional analysis of Concentrically Steel Braced Frames designed with different scales and dimensions was conducted, the results were controlled according to TEC-2007, and after conducting static pushover analysis, behavior and load capacity of the Concentrically Steel Braced Frames and hinges sequence of the elements constituting the Concentrically Steel Braced Frames were tested. Concentrically Steel Braced Frames that were tested analytically consist of 2 storey and one bay, and are formed as two groups with the scales 1/2 and 1/3. In the study, Concentrically Steel Braced Frames described in TEC-2007 were designed, which are 7 types in total being non-braced, X-braced, V- braced, $\wedge$- braced, $\backslash$- braced, /- braced and K- braced. Furthermore, in order to verify accuracy of the analytic studies performed, the 1/2 scaled concentrically steel X-braced frame test element made up of box profiles and 1/3 scaled reinforced concrete frame with insufficient earthquake resistance were tested individually under lateral loads, and test results were compared with the results derived from analytic studies and interpreted. Similar results were obtained from both experimental studies and pushover analyses. According to pushover analysis results, load-carrying capacity of 1/3 scaled reinforced concrete frames increased up to 7,01 times as compared to the non-braced specimen upon strengthening. Results acquired from the study revealed that reinforced concrete buildings which have inadequate seismic capacity can be strengthened quickly, easily and economically by this method without evacuating them.
Steel braced frames are commonly used because braced frames are one of the most economical and efficient seismic resisting systems. However, research into the behavior of multi-story X-braced frame systems with mid-span gusset plates, as used in practice, is limited. As a result, their seismic performance and the influence of connection design on this performance are not well understood. Detailed nonlinear computer analyses of the frame were performed prior to building the test specimens and were used to aid the design and to predict the system performance. These analyses suggested significantly different behavior for the midspan gusset plate than that noted for the corner gusset plate connections. This paper summarizes the results of a full scale, 2-story braced frame analysis and test on concentrically braced frames.
In this paper, seismic provisions related to built-up special concentrically braced frames (BSCBFs) are investigated under cyclic loading using non-linear finite element analysis of a single-bay single-story frame. These braces, which contain double angle and double channel brace sections, are considered in two types of single diagonal and X-braced frames. The results of this study show that current seismic provisions such as observing the 0.4 ratio for slenderness ratio of individual elements between stitch connectors are conservative in BSCBFs, and can be increased according to the type of braces. Furthermore, such increments will lead to decreasing or remaining the current middle protected zone requirements of each BSCBFs. Failure results of BSCBFs, which are related to the plastic equivalent strain growth of members and ductility capacity of the models, show that the behaviors of double channel back-to-back diagonal braces are more desirable than those of similar face-to-face ones. Also, for double angle diagonal braces, results show that the failure of back-to-back BSCBFs occurs faster in comparison with face-to-face similar braces. In X-braced frames, cyclic and failure behaviors of built-up face-to-face models are more desirable than similar back-to-back braces in general.
In this paper, influence of geometric configurations of multi-story bracing on shear lag behaviour of braced tube structures is investigated. The shear lag of 24-, 36- and 72-story braced tube structures are assessed considering all possible configurations of overall X and Chevron bracing types. Based on the analytical results, empirical equations, useful for the preliminary design phase, are proposed to provide the optimum number of stories that braced, in order to exert minimum shear lag on structures. Studying the interaction behaviour of a tube and different bracing types along with paying attention to the shear lag behaviour, a better explanation about the reasons behind the efficiency of a specific bracing module in decreasing the shear lag is developed. The analytical results show that there are distinct differences between the anatomy of braced tube structures with X and Chevron bracing regarding the shear lag behaviour.
Two-storey X-bracings are currently very popular in European practice, as respect to chevron and simple X bracings, owing to the advantages of reducing the bending demand in the brace-intercepted beams in V and inverted-V configurations and optimizing the design of gusset plate connections. However, rules for two-storey X braced frames are not clearly specified within current version of EN1998-1, thus leading to different interpretations of the code by designers. The research presented in this paper is addressed at investigating the seismic behaviour of two-storey X concentrically braced frames in order to revise the design rules within EN1998-1. Therefore, five different design criteria are discussed, and their effectiveness is investigated. With this aim, a comprehensive numerical parametric study is carried out considering a set of planar frames extracted from a set of structural archetypes that are representative of regular low, medium and high-rise buildings. The obtained results show that the proposed design criteria ensure satisfactory seismic performance.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.9
no.1
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pp.89-118
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2015
The geometric nonlinearity of off-diagonal bracing system (ODBS) could be a complementary system to covering and extending the nonlinearity of reinforced concrete material. Finite element modeling is performed for flexural frame, x-braced frame and the ODBS braced frame system at the initial phase. Then the different models are investigated along various analyses. According to the experimental results of flexural and x-braced frame, the verification is done. Analytical assessments are performed in according to three dimensional finite element modeling. Nonlinear static analysis is considered to obtain performance level and seismic behaviour, and then the response modification factors calculated from each model's pushover curve. In the next phase, the evaluation of cracks observed in the finite element models, especially for RC members of all three systems is performed. The finite element assessment is performed on engendered cracks in ODBS braced frame for various time steps. The nonlinear dynamic time history analysis accomplished in different stories models for three records of Elcentro, Naghan and Tabas earthquake accelerograms. Dynamic analysis is performed after scaling accelerogram on each type of flexural frame, x-braced frame and ODBS braced frame one by one. The base-point on RC frame is considered to investigate proportional displacement under each record. Hysteresis curves are assessed along continuing this study. The equivalent viscous damping for ODBS system is estimated in according to references. Results in each section show the ODBS system has an acceptable seismic behaviour and their conclusions have been converged when the ODBS system is utilized in reinforced concrete frame.
Larijan, Reza Jalali;Nasserabadi, Heydar Dashti;Aghayan, Iman
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.755-763
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2017
In this study, the susceptibility of different symmetric steel buildings with dual frame system to Progressive Collapse (PC) was assessed. Some ten-story dual frame systems with different type of braced frames (concentrically and eccentrically braced frames) were considered. In addition, numbers and locations of braced bays were investigated (two and three braced bays in exterior frames) to quantitatively find out its effect on PC resistance. An Alternate Path Method (APM) with a linear static analysis was carried out based on General Services Administration (GSA 2003) guidelines. Maximum Demand Capacity Ratio (DCR) for the elements (beams and columns) with highest DCRs ($DCR_{moment}$ and $DCR_{shear}$) is given in tables. The results showed that the three braced bays with concentric braced frames especially X-braced and inverted V-braced frame systems had a lower susceptibility and greater resistance to PC. Also, the results represented that the beams were more critical than columns against PC after the removal of column.
Hadianfard, Mohammad Ali;Hashemi, Ali;Gholami, Mohammad
Earthquakes and Structures
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v.12
no.4
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pp.449-455
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2017
Using X-braced frames in steel structures is a current procedure to achieve good strength against lateral loads. Study on mid-connections of X-braces and their effects on frame behavior is a subject whose importance has been more or less disregarded by researchers. Experimentally inspecting models involves considerable expense and time; however, computer models can be more suitable substitutes. In this research, a numerical model of X-braced frame has been analyzed using finite element software. The results of pushover analysis of this frame are compared with those of the experimental test. With the help of computer model, the effects of different mid-connection details on ductility and lateral strength of the frame are inspected. Also performances of bolted and welded connections are compared. Taking into account ductility and strength, this study suggests details of a decent pattern for the mid-connection.
According to the capacity design concept underlying current steel seimsic provisions, the braces in concentrically braced frames should dissipate seismic energy through cyclic tension yielding and compression buckling. On the other hand, the beams and the columns in the braced bay should remain elastic for gravity load actions and additional column axial forces resulting from the brace buckling and yielding. However, due to the difficulty in accumulating the yielding and buckling-induced column forces from different stories, empirical and often conservative approaches have been used in design practice. Recently a totally different approach was proposed by Cho, Lee, and Kim (2011) for the prediction of column axial forces in inverted V-braced frames by explicitly considering brace buckling. The idea proposed in their study is extended to X-braced seismic frames which have structural member configurations and load transfer mechanism different from those of inverted V-braced frames. Especially, a more efficient rule is proposed in combining multi-mode effects on the column axial forces by using the modal-mass based weighting factor. The four methods proposed in this study are evaluated based on extensive inelastic dynamic analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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